Partícula subatómica
Definición
En las ciencias físicas, las partículas subatómicas son partículas mucho más pequeñas que los átomos. Los dos tipos de partículas subatómicas son: partículas elementales, que según las teorías actuales no están hechas de otras partículas; y compuesto partículas La física de partículas y la física nuclear estudian estas partículas y cómo interactúan. La idea de una partícula se repensó seriamente cuando los experimentos mostraron que la luz podía comportarse como una corriente de partículas (llamadas fotones) y exhibir propiedades similares a ondas. Esto condujo al nuevo concepto de dualidad onda-partícula para reflejar que las "partículas" a escala cuántica se comportan como partículas y ondas (a veces se describen como waviales para reflejar esto). Otro concepto nuevo, el principio de incertidumbre, establece que algunas de sus propiedades tomadas en conjunto, como su posición y momento simultáneos, no se pueden medir exactamente. En tiempos más recientes, se ha demostrado que la dualidad onda-partícula se aplica no solo a los fotones sino también a las partículas cada vez más masivas.Las interacciones de partículas en el marco de la teoría cuántica de campos se entienden como creación y aniquilación de cuantos de las interacciones fundamentales correspondientes. Esto combina la física de partículas con la teoría de campo.
Clasificación
Por estadísticas
Cualquier partícula subatómica, como cualquier partícula en el espacio tridimensional que obedece las leyes de la mecánica cuántica, puede ser un bosón (con un giro entero) o un fermión (con un giro impar de medio entero).
Por composición
Las partículas elementales del Modelo Estándar incluyen:
- Seis "sabores" de quarks: arriba, abajo, abajo, arriba, extraño y encanto;
- Seis tipos de leptones: electrón, neutrino electrónico, muón, neutrino muón, tau, neutrino tau;
- Doce bosones gauge (portadores de fuerza): el fotón del electromagnetismo, los tres bosones W y Z de la fuerza débil y los ocho gluones de la fuerza fuerte;
- El bosón de Higgs.
Varias extensiones del Modelo Estándar predicen la existencia de una partícula de gravitón elemental y muchas otras partículas elementales.
Las partículas subatómicas compuestas (como protones o núcleos atómicos) son estados ligados de dos o más partículas elementales. Por ejemplo, un protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo, mientras que el núcleo atómico de helio-4 está compuesto por dos protones y dos neutrones. El neutrón está hecho de dos quarks hacia abajo y un quark hacia arriba. Las partículas compuestas incluyen todos los hadrones: estos incluyen bariones (como protones y neutrones) y mesones (como piones y kaones).
En masa
En la relatividad especial, la energía de una partícula en reposo es igual a su masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado, E = mc . Es decir, la masa se puede expresar en términos de energía y viceversa. Si una partícula tiene un marco de referencia en el que descansa, entonces tiene una masa de reposo positiva y se conoce como masiva .
Todas las partículas compuestas son masivas. Los bariones (que significa "pesado") tienden a tener una masa mayor que los mesones (que significa "intermedio"), que a su vez tienden a ser más pesados que leptones (que significa "peso ligero"), pero el leptón más pesado (la partícula tau) es más pesado que el dos sabores más livianos de bariones (nucleones). También es cierto que cualquier partícula con una carga eléctrica es masiva.
Todas las partículas sin masa (partículas cuya masa invariante es cero) son elementales. Estos incluyen el fotón y el gluón, aunque este último no se puede aislar.
Otras propiedades
A través del trabajo de Albert Einstein, Satyendra Nath Bose, Louis de Broglie y muchos otros, la teoría científica actual sostiene que todas las partículas también tienen una naturaleza ondulatoria. Esto se ha verificado no solo para partículas elementales sino también para partículas compuestas como átomos e incluso moléculas. De hecho, según las formulaciones tradicionales de la mecánica cuántica no relativista, la dualidad onda-partícula se aplica a todos los objetos, incluso macroscópicos; aunque las propiedades de onda de los objetos macroscópicos no se pueden detectar debido a sus pequeñas longitudes de onda.
Las interacciones entre las partículas se han analizado durante muchos siglos, y algunas leyes simples apuntalan cómo se comportan las partículas en las colisiones e interacciones. Las más fundamentales son las leyes de conservación de energía y conservación del momento, que nos permiten hacer cálculos de interacciones de partículas en escalas de magnitud que van desde estrellas hasta quarks. Estos son los requisitos previos básicos de la mecánica newtoniana, una serie de enunciados y ecuaciones en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , originalmente publicados en 1687.
Dividir un átomo
El electrón cargado negativamente tiene una masa igual a / 1837 o 1836 de la de un átomo de hidrógeno. El resto de la masa del átomo de hidrógeno proviene del protón con carga positiva. El número atómico de un elemento es la cantidad de protones en su núcleo. Los neutrones son partículas neutras que tienen una masa ligeramente mayor que la del protón. Diferentes isótopos del mismo elemento contienen el mismo número de protones pero diferentes números de neutrones. El número de masa de un isótopo es el número total de nucleones (neutrones y protones colectivamente).
La química se ocupa de cómo el intercambio de electrones une átomos en estructuras tales como cristales y moléculas. La física nuclear trata de cómo los protones y los neutrones se organizan en núcleos. El estudio de partículas subatómicas, átomos y moléculas, y su estructura e interacciones, requiere mecánica cuántica. El análisis de procesos que cambian el número y tipo de partículas requiere la teoría cuántica de campos. El estudio de partículas subatómicas per se se llama física de partículas. El término física de alta energía es casi sinónimo de "física de partículas" ya que la creación de partículas requiere altas energías: se produce solo como resultado de los rayos cósmicos o en los aceleradores de partículas. La fenomenología de partículas sistematiza el conocimiento sobre partículas subatómicas obtenidas a partir de estos experimentos.
Historia
El término " partícula subatómica " es en gran parte un retrónimo de la década de 1960, utilizado para distinguir una gran cantidad de bariones y mesones (que comprenden hadrones) de partículas que ahora se consideran verdaderamente elementales. Antes, los hadrones solían clasificarse como "elementales" porque su composición era desconocida.
Una lista de descubrimientos importantes a continuación:
| Partícula | Composición | Teorizado | Descubierto | Comentarios |
|---|---|---|---|---|
| Electrón e - | elemental (lepton) | G. Johnstone Stoney (1874) | JJ Thomson (1897) | Unidad mínima de carga eléctrica, por la que Stoney sugirió el nombre en 1891. [11] |
| partícula alfa α | compuesto (núcleo atómico) | Nunca | Ernest Rutherford (1899) | Probado por Rutherford y Thomas Royds en 1907 para ser núcleos de helio. |
| Fotón γ | elemental (cuántico) | Max Planck (1900) | Albert Einstein (1905) o Ernest Rutherford (1899) como rayos γ | Necesario para resolver el problema de la radiación del cuerpo negro en termodinámica. |
| Protón pag | compuesto (barión) | Hace mucho tiempo | Ernest Rutherford (1919, llamado 1920) | El núcleo de 1 H . |
| Neutrón norte | compuesto (barión) | Ernest Rutherford (hacia 1918) | James Chadwick (1932) | El segundo nucleon. |
| Antipartículas | Paul Dirac (1928) | Carl D. Anderson ( e + , 1932) | Ahora explicado con simetría CPT. | |
| Pions π | compuesto (mesones) | Hideki Yukawa (1935) | César Lattes, Giuseppe Occhialini (1947) y Cecil Powell | Explica la fuerza nuclear entre nucleones.El primer mesón (por definición moderna) a descubrir. |
| Muon μ - | elemental (lepton) | Nunca | Carl D. Anderson (1936) | El primer mesón nombrado; hoy considerado un lepton. |
| Kaons K | compuesto (mesones) | Nunca | 1947 | Descubierto en rayos cósmicos. La primera partícula extraña. |
| Bariones lambda Λ | compuesto (bariones) | Nunca | Universidad de Melbourne ( Λ 0 , 1950)[12] | El primer hyperón descubierto. |
| Neutrino ν | elemental (lepton) | Wolfgang Pauli (1930), nombrado por Enrico Fermi | Clyde Cowan, Frederick Reines ( ν e , 1956) | Resolvió el problema del espectro de energía de la desintegración beta. |
| Quarks ( tu , re , s ) | elemental | Murray Gell-Mann, George Zweig (1964) | No hay un evento de confirmación particular para el modelo de quark. | |
| encanto quark do | elemental (quark) | 1970 | 1974 | |
| quark inferior segundo | elemental (quark) | 1973 | 1977 | |
| Bosones de calibre débil | elemental (cuántico) | Glashow, Weinberg, Salam (1968) | CERN (1983) | Propiedades verificadas a través de la década de 1990 |
| quark top t | elemental (quark) | 1973 | 1995 | No hadronize, pero es necesario para completar el Modelo Estándar. |
| bosón de Higgs | elemental (cuántico) | Peter Higgs y col.(1964) | CERN (2012) | Se cree que se confirmará en 2013. Se encontraron más pruebas en 2014. [13] |
| Tetraquark | compuesto | ? | Z c (3900), 2013, se confirmará como tetraquark | Una nueva clase de hadrones. |
| Graviton | elemental (cuántico) | Albert Einstein (1916) | No descubierto | La interpretación de una onda gravitacional como una partícula es controvertida. |
| Monopolo magnético | elemental (no clasificado) | Paul Dirac (1931) | No descubierto | |