Contemos…
Hay tres pares de quarks, llamados generaciones, el par (u, d), el par (c, s) y el par (t, b). Seis “sabores” de quarks. Dentro de un par, el sabor del quark puede moverse hacia arriba y hacia abajo según lo desee, siempre que se conserve la carga. Esto se entiende hoy (2015) (y desde hace unas décadas, desde la década de 1970) en términos de intercambio de mesones: los mesones Pi, los Kaones y muchos más. Pero centrándonos solo en los quarks, tenemos los seis sabores que conocemos. No sabemos si hay una cuarta generación, o más, aunque si existen, están muy, muy arriba en energía, y no son necesarias (aún) para explicar incluso los resultados más peculiares de Fermilab, SLAC o CERN .
Entonces hay seis para empezar. Pero espera: ¡estos quarks nunca existen por sí mismos! Tienen una propiedad de “color” (nada que ver con la luz o la percepción, solo una analogía aproximada, un lindo nombre para las matemáticas abstractas) que dice que cualquier cosa que exista por más de un zeptosegundo tiene que ser “blanco” – una combinación igual de “rojo”, “verde” y “azul”. Estos “colores” son muy parecidos a una buena carga eléctrica, excepto que hay tres tipos de carga, y cada uno puede ser positivo o negativo. Se pueden mezclar de la forma descrita por el grupo SU de Lie (3), pero no sé cuántos lectores de esta respuesta quieren obtener * eso * matemáticamente sofisticado. (Hay muchas otras preguntas y respuestas que se ocupan de esto en detalle). Para obtener blanco, necesita R + G + B, tres quarks, o necesita R y -R para agregar a cero, lo que llegaré a en un minuto.
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Entonces, seis sabores para elegir, y tres colores que necesitan ser “blancos”, por lo que elegimos tres quarks. Los quarks también tienen “spin” 1/2 como un electrón. Arriba o abajo (sin relación, solo analogía, con quarks “arriba” y “abajo”) convencionalmente etiquetados como +1/2 y -1/2. Tenemos que elegir sabores, giros y colores. La combinación más simple es (uud) o (udd) ya que u y d tienen la masa más pequeña. Uno de los quarks debe tener giro opuesto a los otros dos. Este es el protón y el neutrón. Estas son las primeras partículas subatómicas conocidas.
Rápidamente (en la escala de la historia científica) se descubrió que existían partículas muy parecidas al protón y al neutrón, excepto con el espín 3/2. Los tres quarks tienen giro en la misma dirección. Debido a las simetrías de la mecánica cuántica, se le permite tener ciertas combinaciones de simetría que se suman a la antisimetría de la función de onda total. No entraré en detalles aquí. La conclusión: para girar 1/2 neutrones y protones, hay una antisimetría requerida que evita que una partícula sea (uuu) o (ddd), solo (uud) o (udd). Pero las partículas de giro 3/2 “Delta” tienen una simetría completa de los giros de quark y, por lo tanto, pueden tener una simetría completa entre sabores, ya que el requisito de la antisimetría total se satisface con otro factor. Entonces, hay cuatro Delta (generalmente anotados por el carácter griego Δ) con cargas -1, 0, +1 y +2. ¿Desea contar esto como cuatro tipos de partículas subatómicas, o como un tipo que viene en cuatro “sabores” de carga? Cualquier. Todos se descomponen con una vida media de alrededor de 10 ^ -23 segundos (mejor contados en yottosegundos) en los nucleones familiares.
Además de los nucleones (protón o neutrón) y el Δ, hay otras partículas de color “blanco” formadas solo por “u” y “d” que se obtienen golpeando los quarks en orbitales de mayor energía, al igual que patear electrones de un átomo en estados excitados. Al principio, los físicos no sabían lo que estaban viendo en sus primeras fotografías de la cámara de burbujas, pero pronto quedó claro que hay “muchas” partículas subatómicas que son solo versiones excitadas de las partículas de neutrones y protones y Δ, que no vale la pena contar como fundamentales. , y para el que no hay un límite superior real.
Si tuviera que decir la respuesta a su pregunta, cuántas partículas subatómicas conocidas hay, es “infinito” que estaría decepcionado, ya que una serie de estados excitados, aunque científicamente importantes, no parecen explorar de manera justa el reino de conocimiento que desea comprender mejor. No contemos los estados excitados.
Ahora tome el quark “s”, que es muy parecido al quark “d” pero más pesado, y tiene la propiedad “extraña” de negarse a descomponerse en una “u” o “d” en la escala de tiempo de zeptosegundos y yottosegundos que la mayoría de las acciones de quark tienen lugar. Todavía tomamos tres quarks, los combinamos con espines simétricos o antisimétricos, y encontramos todo tipo de partículas que fueron descubiertas por experimentos a mediados del siglo XX. No los detallaré, excepto mencionar el patrón interesante que encontraron los físicos, que al trazar la carga, el giro u otras propiedades, seguirían viendo hexágonos, cuadrículas triangulares. Con la investigación, encontraron un patrón agradable, con todas las partículas subatómicas conocidas que encajan en “octetos”, “ninguno” (octetos con un tipo de partícula extra en el centro) y un “decuplet”: diez tipos de partículas dispuestas como bolos. Los conocían a todos. Excepto uno. Ese, compuesto por (sss) con spin 3/2, no se conocía por el experimento. Pero, confiando en el patrón, fue fácil predecir su giro, carga, paridad y masa. Entonces los físicos cazaron y lo encontraron. Esta es una de las razones principales por las que la teoría del quark “ganó” entre las teorías competentes. Se entregaron premios Nobel. Desde entonces, hemos medido muchos más de estos tipos de partículas, los “hadrones”, que también involucran “c” (más Premios Nobel) y la “b” (aún más Premios Nobel) y la “t” (la que nosotros saber menos, pero sí, premios Nobel, etc.) y muchos estados entusiasmados por cada combinación de giros y sabores. No estoy seguro de que tengamos * todos *, pero la mayoría de ellos, sin que nadie tenga dudas serias sobre las lagunas que quedan, si las hay.
Todo eso son solo tres quarks. Podríamos combinar seis igual de bien. Mi carrera de alta energía como estudiante comenzó cuando trabajé para Akihiko Yokosawa, quien se preguntó si existían cosas como los hadrones de seis quarks. Resulta que, no, nada encontrado por el experimento se ajusta a las expectativas de cómo podría ser una partícula de este tipo.
Los seis sabores de los quarks tienen cada uno una versión “anti”. Anti-u, anti-d, etc. Puede hacer combinaciones de color “blanco” combinando “rojo” positivo con “rojo” negativo, o cualquier “color”, pero solo si uno es quark y el otro es antiquark. Dos quarks pueden hacer otra serie de partículas subatómicas. Quiero decir, un quark de materia y un quark de antimateria. (Siempre pensé que deberíamos tener un prefijo para “no anti” como “pro-quark” y “anti-quark” siendo los “lados” y “quark” específicos, un término general para referirse a ambos. Pero el inglés es un idioma extraño .)
Saltando los detalles, ahora sabemos sobre Piones, Kaons, Eta, Psi / J, etc., etc., etc. y mi favorito, los mesones B (medidos con gran precisión por el experimento BaBar). Todos estos vienen en estados excitados, como con los hadrones de tres quarks. Los mesones también están incluidos en esa categoría, “Hadrones”. Los detalles se pueden encontrar en otros lugares: omitamos esto porque solo hemos terminado aproximadamente 1/3. Para los mesones, cuente “muchos, muchos …”
Con respecto a los Hadrones, solo queda una cosa importante por mencionar: los Gluones. Estos se relacionan con el “color” y mantienen unidos a los quarks por la fuerza del color, de la misma manera que los fotones (virtuales) atraen o repelen. Hay ocho tipos. Rojo, Verde y Azul son como las coordenadas X, Y, Z: puede rotarlas a X ‘, Y’, Z ‘y eso no cambiará la física, solo los números particulares que escriba. Sin embargo, usted “rota” R, G y B, todavía tiene ocho gluones. ¿Quieres contar gluones entre las partículas subatómicas conocidas? Al igual que los quarks, no se ven solos, solo dentro de hadrones “blancos” completos. Aunque se especula sobre “bolas de pegamento”, se espera que las partículas tengan una vida útil corta, compuesta solo de gluones, no de quarks. Durante años ha habido anuncios ocasionales de los principales laboratorios de física de alta energía sobre los posibles candidatos a la bola de pegamento, pero nada ha resultado ser definitivo. (Hay algunas buenas preguntas y respuestas en Quora sobre las bolas de pegamento).
Los electrones son, por supuesto, partes de los átomos. Son partículas muy simples. Como los quarks, pero sin “color”. Solo carga, gira 1/2 y masa. Por supuesto, debemos contar los electrones entre las partículas subatómicas conocidas.
Luego están los Muones (una vez llamados “Mesones Mu” pero hace mucho tiempo que se descartaron como mala nomenclatura) y Taus. Son como los electrones, pero tienen más masa. Estos se llaman “generaciones”, como con los quarks. Cada uno tiene un neutrino asociado de carga cero, algo así como el quark “u” se asocia con el quark “d”, por lo que el electrón se asocia con el “neutrino electrónico”. Lo mejor que pudimos medir, hasta la última década más o menos, tienen masa cero. Ahora sabemos que hay una pequeña masa, tal vez alrededor de una millonésima parte de la masa de un electrón. Esto explica un antiguo rompecabezas sobre la cantidad de neutrinos medidos desde el Sol. (Premios Nobel, todo eso …)
Los neutrinos son mi partícula favorita, tan mística. ¡Gira, pero no hay nada allí!
Nadie sabe por qué existen, o si hay una cuarta generación o más. Sabemos por la “Fábrica Z-zero” en SLAC que si hay un cuarto, es más pesado que 50 GeV más o menos.
Ah, el Z-Zero. He mencionado fotones, que no están cargados y tienen masa cero. Verdaderamente cero, no solo realmente pequeño como los neutrinos. Ahora el Z-Zero, y el W + y W-. Los “Bosones de la Fuerza Débil”. Todos estos son como fotones, pero masivos, y el W tiene carga. Entonces, ¿cómo son “como fotones”? Comienza con un bonito campo cuántico puro sin masa, luego un físico llamado Higgs agregó un término extrañamente no lineal a la ecuación, por lo que 3/4 del campo sin masa se volvió masivo, dejándonos con un fotón y estos pesados compañeros. Estos socios actúan como las cargas de conexión de fotones, excepto que en lugar de carga, el W y el Z juegan un papel en la transformación de los electrones en neutrinos de su pareja y viceversa, y también para los leptones muon y tau, y también trabajan en los quarks girando ” “en” d “y viceversa. En comparación, un fotón no puede cambiar el tipo de partícula. Todo lo que puede hacer es dar la vuelta. Lo que W puede hacer es voltear “isospin”, esa cualidad que distingue los tipos de partículas en asociación. Fascinante física fundamental, que nadie entiende, pero podemos escribir matemáticas para describirla, ahora una parte clave del Modelo Estándar y de comprender por qué el Sol está caliente.
Entonces, en términos de contar partículas subatómicas, tenemos tres: electrones, muones, tau y tres más, sus neutrinos asociados. Duplique eso para incluir antipartículas de todos estos. Luego cuente fotón, W +, W- y Z. Luego cuente uno más: el bosón de Higgs, ahora verificado al menos hasta el punto de que ningún físico tenga dudas serias más allá del deber habitual de un científico de ser escéptico ante los descubrimientos. Nota: muchas teorías basadas en cadenas o espacio-tiempo extradimensional (Kaluza-Klein y más allá) tienen motivos para incluir más de un tipo de campo de Higgs. El colisionador lineal internacional (http://newsline.linearcollider.org) que se está planificando en Japón puede resolver ese asunto.
Respuesta final: depende de lo que quieras contar como “partículas subatómicas”. Para los leptones y los bosones de la Fuerza Débil, es fácil. Para los quarks y los gluones, dado que no pueden existir de forma aislada, tiene más sentido contar los tipos de hadrones, lo que depende de una matemática combinatoria complicada e incluye series ilimitadas de estados excitados.
