Física de partículas
Definición
La física de partículas (también física de alta energía ) es la rama de la física que estudia la naturaleza de las partículas que constituyen la materia y la radiación. Aunque la palabra partícula puede referirse a varios tipos de objetos muy pequeños (por ejemplo, protones, partículas de gas o incluso polvo doméstico), la física de partículas generalmente investiga las partículas detectables irreductiblemente más pequeñas y las interacciones fundamentales necesarias para explicar su comportamiento. Según nuestro entendimiento actual, estas partículas elementales son excitaciones de los campos cuánticos que también gobiernan sus interacciones. La teoría actualmente dominante que explica estas partículas y campos fundamentales, junto con su dinámica, se denomina Modelo Estándar. Por lo tanto, la física de partículas moderna generalmente investiga el Modelo Estándar y sus diversas extensiones posibles, por ejemplo, a la partícula "conocida" más nueva, el bosón de Higgs o incluso al campo de fuerza conocido más antiguo, la gravedad.Partículas subatómicas
| Tipos | Generaciones | Antipartícula | Colores | Total | |
|---|---|---|---|---|---|
| Quarks | 2 | 3 | Par | 3 | 36 |
| Leptons | Par | Ninguna | 12 | ||
| Gluons | 1 | 1 | Propio | 8 | 8 |
| Fotón | Propio | Ninguna | 1 | ||
| Z Boson | Propio | 1 | |||
| W Boson | Par | 2 | |||
| Higgs | Propio | 1 | |||
| Número total de partículas elementales (conocidas): | 61 | ||||
La investigación moderna de física de partículas se centra en partículas subatómicas, incluidos componentes atómicos como electrones, protones y neutrones (protones y neutrones son partículas compuestas llamadas bariones, hechas de quarks), producidas por procesos radiactivos y de dispersión, como fotones, neutrinos y muones, así como una amplia gama de partículas exóticas. La dinámica de las partículas también se rige por la mecánica cuántica; exhiben dualidad de onda-partícula, mostrando un comportamiento similar a partículas bajo ciertas condiciones experimentales y un comportamiento similar a ondas en otros. En términos más técnicos, se describen mediante vectores de estado cuántico en un espacio de Hilbert, que también se trata en la teoría cuántica de campos. Siguiendo la convención de los físicos de partículas, el término partículas elementales se aplica a aquellas partículas que, de acuerdo con la comprensión actual, se presume que son indivisibles y no están compuestas por otras partículas.
Todas las partículas y sus interacciones observadas hasta la fecha pueden describirse casi en su totalidad mediante una teoría cuántica de campos llamada Modelo Estándar. El Modelo Estándar, como está formulado actualmente, tiene 61 partículas elementales. Esas partículas elementales pueden combinarse para formar partículas compuestas, lo que explica los cientos de otras especies de partículas que se han descubierto desde la década de 1960. Se ha encontrado que el Modelo Estándar está de acuerdo con casi todas las pruebas experimentales realizadas hasta la fecha. Sin embargo, la mayoría de los físicos de partículas creen que es una descripción incompleta de la naturaleza y que una teoría más fundamental espera ser descubierta (Ver Teoría del Todo). En los últimos años, las mediciones de la masa de neutrinos han proporcionado las primeras desviaciones experimentales del Modelo Estándar.
Historia
La idea de que toda la materia está compuesta de partículas elementales data de al menos el siglo VI a. En el siglo XIX, John Dalton, a través de su trabajo sobre estequiometría, concluyó que cada elemento de la naturaleza estaba compuesto por un único tipo de partícula. La palabra átomo , después de la palabra griega atomos que significa "indivisible", desde entonces denota la partícula más pequeña de un elemento químico, pero los físicos pronto descubrieron que los átomos no son, de hecho, las partículas fundamentales de la naturaleza, sino que son conglomerados de partículas incluso más pequeñas, como el electrón. Las exploraciones de principios de siglo 20 de física nuclear y física cuántica llevaron a pruebas de fisión nuclear en 1939 por Lise Meitner (basada en experimentos de Otto Hahn) y fusión nuclear por Hans Bethe en ese mismo año; ambos descubrimientos también condujeron al desarrollo de armas nucleares. Durante las décadas de 1950 y 1960, se encontró una variedad desconcertante de partículas en las colisiones de partículas provenientes de haces cada vez más energéticos. Fue referido informalmente como el "zoo de partículas". Ese término quedó en desuso después de la formulación del Modelo Estándar durante la década de 1970,
Modelo estandar
El estado actual de la clasificación de todas las partículas elementales se explica mediante el Modelo estándar. Describe las interacciones fundamentales fuertes, débiles y electromagnéticas, mediante el uso de bosones medidores mediadores. La especie de bosones gauge son ocho gluones,
W -
,
W +
y
Z
bosones
W -
,
W +
y
Z
bosones
Laboratorios experimentales
Los principales laboratorios de física de partículas del mundo son:
- Laboratorio Nacional Brookhaven (Long Island, Estados Unidos). Su principal instalación es el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), que colisiona con iones pesados como iones de oro y protones polarizados. Es el primer colisionador de iones pesados del mundo y el único colisionador de protones polarizado del mundo.
- Instituto Budker de Física Nuclear (Novosibirsk, Rusia). Sus principales proyectos son ahora los colisionadores electrón-positrón VEPP-2000, operados desde 2006, y VEPP-4, comenzaron los experimentos en 1994. Las instalaciones más antiguas incluyen el primer colisionador de haz de electrones-electrón VEP-1, que condujo experimentos desde 1964 hasta 1968; los colisionadores electrón-positrón VEPP-2, operados desde 1965 hasta 1974; y, su sucesor VEPP-2M, realizó experimentos desde 1974 hasta 2000.
- CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) (frontera franco-suiza, cerca de Ginebra). Su proyecto principal ahora es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que tuvo su primera emisión de haces el 10 de septiembre de 2008, y ahora es el colisionador de protones más enérgico del mundo. También se convirtió en el colisionador más enérgico de iones pesados después de que comenzó a colisionar los iones de plomo. Las instalaciones anteriores incluyen el Large Electron-Positron Collider (LEP), que se detuvo el 2 de noviembre de 2000 y luego se desmanteló para dar paso al LHC; y el Súper Protón Sincrotrón, que se está reutilizando como acelerador previo para el LHC.
- DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) (Hamburgo, Alemania). Su principal instalación es el Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), que colisiona electrones y positrones con protones.
- Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) (Batavia, Estados Unidos). Su principal instalación hasta 2011 fue el Tevatron, que colisionó con protones y antiprotones y fue el colisionador de partículas de mayor energía en la tierra hasta que el Gran Colisionador de Hadrones lo superó el 29 de noviembre de 2009.
- Instituto de Física de Altas Energías (IHEP) (Beijing, China). El IHEP gestiona varias de las principales instalaciones de física de partículas de China, incluido el Colisionador de positrones de electrones de Beijing (BEPC), el Espectrómetro de Beijing (BES), el Centro de radiación de sincrotrón de Beijing (BSRF), el Observatorio internacional de rayos cósmicos de Yangbajing en Tíbet, el Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, China Spallation Neutron Source, Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT) y Accelerator-Sub-critical System (ADS) así como Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO).
- KEK (Tsukuba, Japón). Es el hogar de una serie de experimentos, como el experimento K2K, un experimento de oscilación de neutrinos y Belle, un experimento que mide la violación CP de los mesones B.
- SLAC National Accelerator Laboratory (Menlo Park, Estados Unidos). Su acelerador de partículas lineal de 2 millas de largo comenzó a funcionar en 1962 y fue la base de numerosos experimentos de colisión de electrones y positrones hasta 2008. Desde entonces, el acelerador lineal se utiliza para los láseres de rayos X de fuente de luz coherente Linac, así como el diseño de acelerador avanzado investigación. El personal de SLAC continúa participando en el desarrollo y la construcción de muchos detectores de partículas en todo el mundo.
Muchos otros aceleradores de partículas también existen.
Las técnicas requeridas para la física moderna de partículas experimentales son bastante variadas y complejas, constituyendo una subespecialidad casi completamente distinta del lado teórico del campo.
Teoría
La física de partículas teórica intenta desarrollar los modelos, el marco teórico y las herramientas matemáticas para comprender los experimentos actuales y hacer predicciones para experimentos futuros. Ver también física teórica. Hay varios esfuerzos principales interrelacionados que se están realizando hoy en la física teórica de partículas. Una rama importante intenta comprender mejor el Modelo Estándar y sus pruebas. Al extraer los parámetros del Modelo Estándar, a partir de experimentos con menos incertidumbre, este trabajo explora los límites del Modelo Estándar y, por lo tanto, amplía nuestra comprensión de los componentes básicos de la naturaleza. Esos esfuerzos se vuelven desafiantes por la dificultad de calcular cantidades en la cromodinámica cuántica. Algunos teóricos que trabajan en esta área se refieren a sí mismos como fenomenólogos y pueden usar las herramientas de la teoría cuántica de campos y la teoría efectiva de campos. Otros hacen uso de la teoría del campo reticular y se llaman a sí mismos teóricos del enrejado .
Otro esfuerzo importante es en la construcción de modelos donde los constructores de modelos desarrollan ideas para lo que la física puede estar más allá del Modelo Estándar (a energías más altas o distancias más pequeñas). Este trabajo a menudo está motivado por el problema de la jerarquía y está limitado por los datos experimentales existentes. Puede implicar trabajos sobre supersimetría, alternativas al mecanismo de Higgs, dimensiones espaciales adicionales (como los modelos de Randall-Sundrum), teoría de Preon, combinaciones de éstas u otras ideas.
Un tercer gran esfuerzo en física teórica de partículas es la teoría de cuerdas. Los teóricos de cuerdas intentan construir una descripción unificada de la mecánica cuántica y la relatividad general construyendo una teoría basada en cuerdas pequeñas, y las branas en lugar de las partículas. Si la teoría es exitosa, puede considerarse una "Teoría del Todo" o "TOE".
También hay otras áreas de trabajo en física de partículas teóricas que van desde la cosmología de partículas hasta la gravedad cuántica de bucles.
Esta división de esfuerzos en la física de partículas se refleja en los nombres de las categorías en arXiv, un archivo de preimpresión: hep-th (teoría), hep-ph (fenomenología), hep-ex (experimentos), hep-lat (teoría del calibre de celosía) )
Aplicaciones prácticas
En principio, toda la física (y las aplicaciones prácticas desarrolladas a partir de ella) pueden derivarse del estudio de partículas fundamentales. En la práctica, incluso si se considera que la "física de partículas" significa solo "destructores de átomos de alta energía", se han desarrollado muchas tecnologías durante estas investigaciones pioneras que más tarde encuentran amplios usos en la sociedad. Los aceleradores de partículas se usan para producir isótopos médicos para investigación y tratamiento (por ejemplo, isótopos utilizados en imágenes PET), o se usan directamente en radioterapia de haz externo. El desarrollo de superconductores ha sido impulsado por su uso en la física de partículas. La World Wide Web y la tecnología de pantalla táctil se desarrollaron inicialmente en el CERN. Se encuentran aplicaciones adicionales en medicina, seguridad nacional, industria, informática, ciencia y desarrollo de la fuerza laboral,
Futuro
El objetivo principal, que se persigue de varias maneras distintas, es encontrar y comprender qué física puede estar más allá del modelo estándar. Existen varias razones experimentales poderosas para esperar nueva física, incluida la materia oscura y la masa de neutrinos. También hay indicios teóricos de que esta nueva física debería encontrarse en escalas de energía accesibles.
Gran parte del esfuerzo para encontrar esta nueva física se centra en nuevos experimentos de colisionador. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se completó en 2008 para ayudar a continuar la búsqueda del bosón de Higgs, partículas supersimétricas y otras nuevas físicas. Un objetivo intermedio es la construcción del International Linear Collider (ILC), que complementará el LHC al permitir mediciones más precisas de las propiedades de las partículas recién descubiertas. En agosto de 2004, se tomó una decisión sobre la tecnología de la ILC, pero el sitio aún no se ha acordado.
Además, existen importantes experimentos sin colisionador que también intentan encontrar y comprender la física más allá del Modelo Estándar. Un esfuerzo importante sin colisionador es la determinación de las masas de neutrinos, ya que estas masas pueden surgir de neutrinos que se mezclan con partículas muy pesadas. Además, las observaciones cosmológicas proporcionan muchas restricciones útiles sobre la materia oscura, aunque puede ser imposible determinar la naturaleza exacta de la materia oscura sin los colisionadores. Finalmente, los límites más bajos en la muy larga vida del protón ponen restricciones a las Grandes Teorías Unificadas a escalas de energía mucho más altas que los experimentos del colisionador serán capaces de sondear en el corto plazo.
En mayo de 2014, el Panel de priorización del proyecto de física de partículas publicó su informe sobre las prioridades de financiación de la física de partículas para los Estados Unidos durante la próxima década. Este informe enfatizó la participación continua de los EE. UU. En el LHC y la ILC, y la expansión del Experimento de neutrinos de línea de base larga, entre otras recomendaciones.
Física de alta energía en comparación con física de baja energía
El término física de alta energía requiere elaboración. Intuitivamente, podría parecer incorrecto asociar "alta energía" con la física de objetos muy pequeños y de baja masa, como partículas subatómicas. En comparación, un ejemplo de un sistema macroscópico, un gramo de hidrógeno, tiene ~ 6 × 10 veces la masa de un solo protón. Incluso un haz completo de protones circulados en el LHC contiene ~ 3.23 × 10 protones, cada uno con 6.5 × 10 eV de energía, para una energía total del haz de ~ 2.1 × 10 eV o ~ 336.4 MJ, que todavía es ~ 2.7 × 10 veces menor que la masa-energía de un solo gramo de hidrógeno. Sin embargo, el reino macroscópico es "física de baja energía", mientras que el de partículas cuánticas es "física de alta energía".
Las interacciones estudiadas en otros campos de la física y la ciencia tienen comparativamente muy poca energía. Por ejemplo, la energía de fotones de la luz visible es de aproximadamente 1.8 a 3.1 eV. De forma similar, la energía de disociación de enlace de un enlace carbono-carbono es de aproximadamente 3,6 eV. Otras reacciones químicas normalmente implican cantidades similares de energía. Incluso los fotones con mucha más energía, los rayos gamma del tipo producido en la desintegración radiactiva, en su mayoría tienen energía de fotones entre 10 eV y 10 eV , todavía dos órdenes de magnitud menor que la masa de un solo protón. Los rayos gamma de desintegración radiactiva se consideran parte de la física nuclear, en lugar de la física de alta energía.
El protón tiene una masa de alrededor de 9.4 × 10 eV ; algunas otras partículas cuánticas masivas, tanto elementales como hadrónicas, tienen masas aún más elevadas. Debido a estas energías muy altas en el nivel de partículas individuales , la física de partículas es, de hecho, física de alta energía.
Obtenido de: Wikipediahttps: //en.wikipedia.org/wiki/Particle_physics