La investigación en física de partículas implica investigar las interacciones de partículas con energías muy altas. Con el tiempo se construyen aceleradores de partículas cada vez más potentes (más recientemente, el LHC) para acelerar las partículas a energías cada vez más altas.
Los valores reales de las energías involucradas son pequeños según los estándares macroscópicos. El LHC estaba funcionando a una energía récord de 8 TeV antes de que se cerrara por actualizaciones. Ahora, 8 TeV es aproximadamente una millonésima parte de un julio, y es aproximadamente la cantidad de energía utilizada por una bombilla de 60 W en 20 nanosegundos. Esto parece una cantidad muy pequeña de energía. Sin embargo, en una colisión de 8 TeV en el LHC, la energía se concentra en dos protones en colisión, cada uno con una energía de 4 TeV, mientras que la energía de la luz emitida por una bombilla se distribuye en una gran cantidad de fotones, cada uno con un energía de solo unos pocos eV. Resulta que tomar la cantidad de energía utilizada por una bombilla de 60 W en 20 ns y concentrarla en una colisión entre solo dos partículas es un problema de ingeniería increíblemente difícil, y requirió la construcción de la máquina multimillonaria que es el LHC .
La investigación de física de partículas se realiza a “alta energía” porque ocurren fenómenos interesantes cuando una gran cantidad de energía se concentra en un pequeño número de partículas. Si colisionamos protones a la misma velocidad que las bolas de billar, fallarían o simplemente rebotarían como bolas de billar. Es solo cuando las partículas en colisión se aceleran hasta cerca de la velocidad de la luz que observamos fenómenos sin contrapartida en el mundo macroscópico, como la producción espontánea de partículas adicionales. Las partículas muy masivas solo pueden producirse en colisiones con muy alta energía; Por ejemplo, el quark superior se produjo por primera vez en el Tevatron, que era el acelerador de partículas más poderoso del mundo antes del LHC. El LHC también produjo una partícula previamente desconocida, el estado de bottomonium [matemático] \ chi_b (3P) [/ matemático].
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Por otro lado, las altas energías por partícula logradas en los aceleradores de partículas son imposibles de lograr con cantidades macroscópicas de materia. Por ejemplo, supongamos que hay [math] 10 ^ {26} [/ math] nucleones en una pelota de béisbol típica. Acelerar el béisbol a la energía del LHC de 4 TeV por nucleón requeriría [matemáticas] 6.4 \ veces 10 ^ {19} [/ matemáticas] julios, que es aproximadamente la cantidad total de energía generada en todo el mundo en un año.
Debido a que necesitamos altas energías para hacer algo útil con la investigación de física de partículas, y debido a que tales altas energías solo se pueden lograr con partículas, los términos “física de partículas” y “física de alta energía” son sinónimos.
