¿Cuál es la explicación de un laico del modelo estándar de física de partículas?

Es muy simple. Todo lo que necesitas saber es en esta breve ecuación:

(Fuente: einstein-schrodinger.com)

¡Espera, no huyas, solo estaba bromeando! En realidad, esta ecuación también se puede ilustrar en una forma mucho más fácil de entender:

(Fuente: Wikipedia)

entonces que tenemos aqui? 17 partículas en total (cada cuadrado representa una partícula). Vamos a explicar qué son y cómo clasificarlos.

Gauge Bosons

Comenzaremos con los bosones de calibre , los 4 cuadrados de la derecha en rojo. Estas partículas son los mediadores de las 3 interacciones fundamentales: el electromagnetismo , la interacción fuerte y la interacción débil . Todos los bosones de calibre tienen giro 1. El giro es una propiedad que tienen todas las partículas, como masa o carga, y está escrito en la tercera línea de cada cuadrado.

Primero tenemos el gluón [matemáticas] g [/ matemáticas]. Es el mediador de la interacción fuerte. Solo interactúa con partículas que tienen carga de color . Solo los quarks (los seis cuadrados morados) tienen carga de color, como se puede ver en la región sombreada que incluye solo el gluón y los quarks. El gluón no tiene masa; La primera línea en cada cuadrado es la masa de la partícula, y el gluón tiene masa 0.

La carga de color tiene este nombre porque viene en tres “colores”: rojo, verde y azul. Estos son solo nombres , no tienen nada que ver con los colores reales. Un quark puede tener exactamente uno de estos tres colores.

A continuación tenemos el fotón [math] \ gamma [/ math]. Es el mediador de la interacción electromagnética. Interactúa con cualquier partícula que tenga carga eléctrica distinta de cero. Puedes ver la carga eléctrica de cada partícula en la segunda línea de cada cuadrado.

Los dos bosones de calibre restantes son [matemática] Z [/ matemática] y [matemática] W [/ matemática]

Tenga en cuenta que la única forma de que una partícula interactúe con otra partícula es intercambiando un bosón de calibre. Por eso es importante saber con qué partículas interactúa cada bosón de calibre. Entonces, por ejemplo, si un electrón quiere interactuar con un quark up, puede hacerlo usando un fotón, un [matemático] Z [/ matemático] o un [matemático] W [/ matemático] (ya que estas partículas interactúan con ambos quarks y electrones) pero no pueden hacerlo usando un gluón (¡ya que los gluones no interactúan con los electrones)!

Fermiones

El siguiente grupo de partículas son los fermiones . Todos tienen spin 1/2. Estos incluyen tanto los quarks (cuadrados morados) como los leptones (cuadrados verdes). Cada tipo de fermión tiene 3 generaciones . Las generaciones van de izquierda a derecha en la tabla (por lo que la columna izquierda es la primera generación de leptones). La primera generación es de lo que está hecha la materia normal; Las generaciones superiores son versiones más masivas de la primera generación, y todos los leptones de la generación superior se descomponen después de un tiempo muy corto (con la excepción de los neutrinos).

Hay dos tipos de quarks, llamados arriba y abajo. Los quarks de tipo up son la primera fila e incluyen “up” (1ra generación), “charm” (2da generación) y “top” (3ra generación). Como expliqué anteriormente, el encanto y los quarks superiores son versiones más masivas del quark up. Tienen exactamente la misma carga, giro e interacciones con el bosón de calibre.

Los quarks hacia abajo son la segunda fila e incluyen “abajo” (1ra generación), “extraño” (2da generación) y “fondo” (3ra generación).

Los leptones también tienen dos tipos. Los llamados “leptones de tipo ascendente” están en la tercera fila. Incluyen el electrón [matemáticas] e [/ matemáticas] que todos conocemos y amamos (primera generación), así como el muon [matemáticas] \ mu [/ matemáticas] (segunda generación) y el tau [matemáticas] \ tau [ / matemáticas] (3ra generación). Como de costumbre, el muón y la tau son versiones más masivas del electrón.

Los “leptones de tipo Down” son los neutrinos, en la cuarta fila. Hay un tipo de neutrino correspondiente a cada leptón de tipo ascendente: neutrino electrónico [matemático] \ nu_e [/ matemático] (1ª generación), neutrino muónico [matemático] \ nu_ \ mu [/ matemático] (2º generación) y neutrino tau [matemática] \ nu_ \ tau [/ matemática] (3ra generación). A diferencia de las otras partículas, realmente no sabemos cuál es la masa de los neutrinos. Solo sabemos que no es cero, y es muy, muy pequeño. También sabemos que, como todos los demás leptones, las generaciones superiores son más masivas que las inferiores.

Los fermiones también tienen una propiedad llamada quiralidad . Todos los fermiones en el modelo estándar vienen en versiones para zurdos y diestros , excepto los neutrinos, que solo pueden venir en quiralidad para zurdos (todavía no lo sabemos con certeza). Los fermiones de quiralidad opuesta se comportan de manera diferente, y en particular, el bosón [math] W [/ math] solo interactúa con fermiones zurdos.

El bosón de Higgs

Finalmente, tenemos el bosón de Higgs, el cuadrado único en el extremo derecho. Parece bastante solitario, pero no se preocupe: en realidad interactúa con todas las partículas que tienen masa (que es casi todas). Es la única partícula conocida con espín 0, por lo que tiene una categoría propia. Lea más sobre esto en mi respuesta a ¿Qué es el mecanismo de Higgs?

Diagrama de interacción

Si no está seguro de qué bosones de calibre interactúan con qué partículas, nuestros amigos de Wikipedia han creado un útil diagrama de todas las posibles interacciones:

(Fuente: Wikipedia)

Si dos tipos de partículas están conectadas con una línea azul, esto significa que interactúan. Tenga en cuenta que todos los bosones (calibre y Higgs) interactúan consigo mismos, excepto el fotón.

¿Qué pasa con las antipartículas?

Quizás se pregunte dónde están las antipartículas en esta tabla. Bueno, básicamente, una antipartícula es exactamente la misma que la partícula original, pero con cargas opuestas (eléctrica y de color). Como sus propiedades son las mismas y los cargos solo tienen un signo menos, simplemente no hay necesidad de una tabla separada.

Por ejemplo, el electrón tiene una antipartícula llamada positrón. Es exactamente igual en todas las propiedades (masa, giro, etc.) excepto que su carga eléctrica es [matemática] +1 [/ matemática] en lugar de [matemática] -1 [/ matemática].

El quark up tiene carga eléctrica [matemática] +2/3 [/ matemática] y carga de color [matemática] +1 [/ matemática] rojo, verde o azul. Tiene una antipartícula llamada quark anti-up, que tiene carga eléctrica [matemáticas] -2/3 [/ matemáticas] y carga de color [matemáticas] -1 [/ matemáticas] rojo, verde o azul. Es común llamar a las cargas de color negativas “anti-rojo”, “anti-verde” y “anti-azul” solo por diversión.

El fotón es su propia antipartícula ya que no tiene carga eléctrica o de color. Los neutrinos pueden ser sus propias antipartículas o pueden no serlo; en realidad sigue siendo una pregunta abierta. (Como habrás notado, todavía hay muchas cosas que no entendemos sobre los neutrinos).

¿Qué pasa con las partículas compuestas?

El modelo estándar solo describe las 17 partículas elementales enumeradas anteriormente. También hay partículas compuestas de las que quizás hayas oído hablar. Estas son partículas compuestas de dos o más partículas elementales.

Las partículas compuestas más simples se llaman hadrones . Pueden ser bariones , que se componen de tres quarks o tres antiquarks, o mesones , que se componen de un quark y un antiquark.

Los ejemplos más famosos de bariones son los protones y neutrones que forman los núcleos de los átomos. Un protón está hecho de dos quark arriba y uno abajo, mientras que un neutrón está hecho de dos quark abajo y uno arriba. Si tiene en cuenta el hecho de que un quark up tiene carga eléctrica [matemática] +2/3 [/ math] y un quark down tiene carga eléctrica [math] -1/3 [/ math], y suma los cargos, encontrará que el protón tiene carga [matemáticas] +1 [/ matemáticas] y el neutrón tiene carga [matemáticas] 0 [/ matemáticas].

Los mesones son menos conocidos, pero probablemente los mesones más conocidos son los piones. Vienen en tres versiones con cargas eléctricas [matemática] +1 [/ matemática], [matemática] -1 [/ matemática] y [matemática] 0 [/ matemática]. Están hechos solo de quarks y antiquarks arriba y abajo. ¡Como ejercicio, trata de adivinar qué combinaciones forman cada uno de los tres piones! Sugerencia: arriba tiene carga [matemática] +2/3 [/ matemática] y abajo tiene carga [matemática] -1/3 [/ matemática], entonces anti-up tiene carga [matemática] -2/3 [/ matemática] y anti-down tiene carga [matemática] +1/3 [/ matemática]. Los cargos deben sumar hasta [matemática] +1 [/ matemática], [matemática] -1 [/ matemática] o [matemática] 0 [/ matemática]. Consulte Wikipedia para las respuestas.

El comportamiento de estas partículas compuestas se puede calcular utilizando el modelo estándar, pero no son componentes fundamentales en este modelo.

Las partículas compuestas más complicadas son los átomos (e iones ), que en general están formados por protones, neutrones y electrones. Tenga en cuenta que esto significa que los átomos que componen toda la materia familiar (incluidos nuestros propios cuerpos) solo están hechos de quarks y leptones de primera generación: quarks arriba, quarks abajo y electrones.

Puede intentar crear átomos a partir de combinaciones de quarks y leptones de mayor generación, pero estos son inestables y no formarán átomos. Solo los quarks y leptones de primera generación son estables y pueden formar átomos.

¡Sin embargo, puedes usar antiquarks y antileptones de primera generación! Un protón está hecho de dos quarks arriba y uno abajo. Puede hacer un antiprotón usando dos quarks anti-up y un quark anti-down. Si luego agrega un positrón, tendrá un átomo anti-hidrógeno; El antiprotón es el núcleo. Esto realmente se ha logrado en el laboratorio.

¿Qué pasa con la materia oscura, las partículas supersimétricas, etc.?

Todas estas partículas son hipotéticas ; no se han observado experimentalmente y no sabemos si realmente existen. Hay muchas partículas hipotéticas incluidas en varias extensiones del Modelo Estándar, pero el modelo en sí solo incluye las 17 partículas enumeradas anteriormente, cuya existencia se ha verificado experimentalmente.

¿Y qué hay de los gravitones?

La gravedad es muy diferente de las tres interacciones fundamentales descritas por el Modelo Estándar. Una de las diferencias más significativas es que no sabemos cómo describir la gravedad usando el mismo marco matemático que usamos para describir el Modelo Estándar, que se llama teoría cuántica de campos . (Consulte ¿Cuál es una buena explicación de la teoría cuántica de campos para tontos?)

Esta muy buscada descripción cuántica de la gravedad se conoce como gravedad cuántica . Hasta que tengamos una teoría completa de la gravedad cuántica, no podemos tratar la interacción gravitacional en el mismo pie que las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes, y no podemos incorporarla (y en particular, gravitones) en el Modelo estándar. (Consulte ¿Por qué la relatividad general y la mecánica cuántica no son compatibles?)

Tenga en cuenta que esto en realidad no tiene nada que ver con si se han observado o no gravitones, en cuanto a la materia oscura y las partículas supersimétricas. Es probable que los gravitones no se puedan detectar. La razón por la que no forman parte del Modelo Estándar no es empírica, es matemática; simplemente no sabemos cómo cuantificarlos. (Ver: ¿Por qué todavía no se ha detectado el gravitón?)

Esto es diferente, por ejemplo, a las partículas supersimétricas. No sabemos si existen partículas supersimétricas, y no tenemos ninguna razón empírica para creer que existan. La cuestión de si existen o no debe determinarse experimentalmente. Para los gravitones es completamente diferente. Sabemos muy bien que existe la gravedad, y si puede cuantificarse, entonces, por definición, también debe existir un gravitón.

Es bastante fácil entender el modelo estándar en un sentido básico. Primero necesitamos comenzar con algo a lo que mucha gente se refiere como el “zoológico de partículas”. Básicamente, son todas las partículas fundamentales que conocemos en el universo. Se compone de tres secciones, bosones, quarks y leptones. Comenzaré con los quarks. Los Quarks, junto con los leptones, son fermiones (que son partículas con giros de medio entero: 1/2, 3/2, 5/2 …), pero no voy a entrar en eso ahora. Hay seis tipos diferentes de quarks (en cromodinámica cuántica se les conoce como “sabores”). Los sabores de los quarks son, arriba, abajo, arriba, abajo, encantados y extraños. Cada quark tiene una masa diferente, carga electromagnética y forma partículas diferentes, de lo que hablaré más adelante. A continuación, hay leptones. La principal diferencia entre los leptones y los quarks es que los leptones no interactúan con el campo nuclear fuerte, del que hablaré pronto. También hay diferencias en otras características como la masa. Dentro del grupo de los mesones, también hay diferentes masas, cargas, etc. Finalmente, hay bosones, que son partículas que tienen un giro entero entero (como 1,2,3 …). Estas partículas son gluones, gravitones, bosones W y Z, fotones y el bosón de Higgs. Todos estos bosones corresponden a un campo particular y “llevan” esa fuerza. Los gluones corresponden a una fuerza nuclear fuerte, que es la fuerza que une a los quarks para formar otra partícula. Este campo también solo interactúa con cargas de color. Las cargas de color no son colores físicos, sino formas de interpretar las partículas con las que interactúa el campo. Como los quarks son las únicas partículas fundamentales que tienen carga de color, solo se les aplica el campo nuclear fuerte. Por ejemplo, dentro de una partícula llamada barión, que explicaré más adelante, debe haber tres cargas de color de los diferentes colores (azul, rojo, verde). Estas cargas de color se asignan arbitrariamente y solo están presentes cuando un quark está interactuando con la fuerza nuclear fuerte y se preocupa por otros quarks. Los quarks libres son incoloros. También podemos extender esto a la antimateria, (la antimateria es algo así como lo contrario de la materia). Dentro de una partícula llamada mesón, debe haber un quark y un antiquark. Si el quark es de un color, el antiquark debe ser el color negativo del otro quark. Hablaré más sobre eso más tarde, pero por ahora continuaré enumerando a los otros bosones. Los bosones W y Z llevan el campo nuclear débil que es responsable de la desintegración radiactiva, los fotones llevan el campo electromagnético, que es el campo magnético y los campos eléctricos combinados, los gravitones son los portadores hipotéticos de la gravedad (hablaré más sobre esto más adelante) y el Higgs El bosón corresponde al campo de Higgs que da masa a ciertas partículas.

Estas son todas las partículas fundamentales, pero también podemos considerar partículas subatómicas que también están compuestas por muchas partículas fundamentales. Los Quarks interactúan con el fuerte campo nuclear y, por lo tanto, pueden unirse. Estos se conocen como hadrones. Los hadrones se dividen en dos categorías: bariones y mesones. Los bariones son partículas que se componen de tres quarks (como dije, todos con diferentes colores de carga). Algunos ejemplos de quarks serían protones (arriba, arriba, abajo) y neutrones (abajo, abajo, arriba). Estos bariones son todos fermiones. También hay partículas llamadas pentaquark, que están relacionadas con bariones, pero no voy a hablar de eso hoy. En segundo lugar, los mesones son partículas que se componen de un quark y un antiquark. Piones (arriba, anti-abajo; arriba, anti-arriba; abajo, anti-abajo; abajo anti-arriba) y kaons (extraño, anti-arriba; abajo, anti-extraño; extraño, anti-abajo; arriba, anti -extraño), son ambos mesones. Como los mesones están formados por dos quarks, los giros se convierten en un entero entero y, por lo tanto, los mesones se clasifican como bosones.

Finalmente, voy a hablar un poco sobre los gravitones. Como he dicho, los gravitones son bosones con un giro de 2. Son los hipotéticos portadores de la gravedad. Los gravitones son parte de muchas teorías y modelos con respecto a la gravedad, pero nunca se han probado definitivamente.

Ahí lo tienes, los conceptos básicos del modelo estándar de física de partículas. Si no le gustó o no entendió mi respuesta, consulte la respuesta de Barak Shoshany. Es muy bueno.

El modelo estándar de la física de partículas es la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas (las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes, y sin incluir la fuerza gravitacional) en el universo, así como la clasificación de todas las partículas elementales conocidas. Fue desarrollado en edades sat.

J Sin embargo, no explica de qué están hechas estas partículas subatómicas.

El manuscrito titulado “La naturaleza y las características de las partículas subatómicas y espaciales” especula que todas las partículas subatómicas están formadas por dos tipos de energía. En los núcleos de toda la generación una de las Partículas Subatómicas hay seis singularidades. Cada Singularidad se visualiza como un punto de energía con el radio de longitud de Planck girando en el sentido de la capa o en sentido antihorario. Orbitando los distintos núcleos hay cadenas de energía (energía Quanta) donde cada cadena vibrante es equivalente a la constante de Planck. La forma de la órbita depende de las permutaciones y combinaciones de los hilanderos. Las tablas a continuación muestran cómo se constituyen varias partículas subatómicas.

Generación I de las partículas subatómicas.

RL es giro a la derecha de la cadena de energía. LR es un giro zurdo de la cadena de energía.

Para obtener más detalles sobre 4 fuerzas de la naturaleza que usan este modelo, póngase en contacto con [correo electrónico protegido]