Partículas Elementales

(en construcción)

Leptones y Quarks

El modelo estandard es el modelo teórico que describe todas las partículas elementales que forman la materia conocida y las interacciones entre ellas, salvo la gravitatoria, que no está incluida en este modelo.

Según el modelo estándar de la física de partículas, existen 12 partículas elementales "de materia", divididas en dos clases: Leptones y Quarks, cada una con seis miembros.

Leptones: Electrón, muón, partícula tau, y tres neutrinos asociados (neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tau).

Quarks: Existen seis tipos de quarks: u, d, c, s, t, b, donde las letras denotan up, down, charm, strange, top y bottom (en castellano arriba, abajo, encantado, extraño, cima y fondo).

Todas estas partículas tienen una propiedad intrínseca llamada espín (momento angular intrínseco de rotación) que tiene el valor 1/2. Las partículas elementales o compuestas que tienen un espín semientero (es decir, 1/2, 3/2, etc.) se denominan fermiones.

Salvo los tres neutrinos, que tienen carga eléctrica nula, las restantes 9 partículas tienen carga eléctrica. El electrón, muón y partícula tau tienen la misma carga eléctrica. Tomando a esta carga como patrón y de signo negativo, la carga eléctrica de los quarks u, c, t es positiva e igual a 2/3 de la carga del electrón, mientras que los quarks d, s, b tienen carga eléctrica negativa e igual a 1/3 de la carga electrónica. Sólo las partículas con carga eléctrica no nula son sensibles a las fuerzas de origen electromagnético.

¿En que se diferencian los leptones de los quarks?

Fundamentalmente en que los quarks son sensibles a las fuerzas provocadas por la denominada interacción fuerte (véase modelo estándar), teniendo "cargas de color" no nulas (roja, verde o azul). Los leptones son insensibles a este tipo de fuerzas y tienen cargas de color nulas.

Tanto los leptones como los quarks son además sensibles a las fuerzas derivadas de la denominada interacción débil, teniendo diferentes cargas asociadas (denominadas "cargas de sabor").

Las partículas elementales poseen diferentes masas. Tomaremos como referencia la masa del electrón, que es muy pequeña en comparación con la de los objetos macroscópicos a los que estamos acostumbrados. Su masa es de 0,000000000000000000000000000911 gramos (27 ceros despues de la coma). La masa del muón es 206 veces la masa del electrón, mientras que la de la partícula tau, 3477 veces la masa del electrón. En cambio, los neutrinos poseen masas muy pequeñas en comparación con la del leptón asociado. Durante mucho tiempo se pensó que los neutrinos no tenían masa, pero actualmente se sabe que poseen masas no nulas aunque pequeñas, no conocidas aún con certeza.

Los quarks no han sido detectados en forma libre, por el denominado efecto de confinamiento. Se los encuentra usualmente formando pares o trios, de color total neutro. La noción de masa para los quarks es en consecuencia más compleja. Damos a continuación valores muy aproximados para la masa "corriente" del quark. La masa del quark u es 6 veces la masa del electrón, la del quark d 12 veces, las de los quark c y s 2500 y 200 veces, respectivamente, la del quark b 8400 veces mientras que la del quark t es 334000 veces la masa del electrón, es decir, del mismo orden que la de un núcleo atómico de oro.

Cada una de estas 12 partículas tiene también una anti-partícula asociada, la cual posee la misma masa que la partícula original aunque su carga eléctrica es opuesta (cuando es no nula). Los neutrinos tienen también antipartículas asociadas.

Abril de 2009: Descubren un quark inusual: el quark top solitario

Científicos del Fermilab: Laboratorio de Física de altas energías situado a 50 km de Chicago, que trabajan en los proyectos internacionales DZero y CDF, descubrieron recientemente

vista aérea del acelerador

acelerador CDF en el Fermilab

el quark Top solitario. Este descubrimiento se realiza 14 años después del descubrimiento del quark Top en 1995. Los quarks top siempre se habian observado de a pares y estos son producidos por la fuerza nuclear fuerte, mientras que para producir los quarks top solitarios interviene la fuerza nuclear débil. La existencia de este quark confirma parámetros de gran importancia de la física de partículas, como el número total de quarks. Este hallazgo es tambien trascendente en la búsqueda de la partícula de Higgs que también se realiza en el Fermilab, donde actualmente está operando el acelerador de partículas más potente del mundo: el Tevatrón.

Protones, Neutrones y Bariones

Un protón está formado por dos quarks up y un quark down. Un neutrón está formado por dos quarks down y un quark up. La carga eléctrica del protón es por lo tanto igual a la carga del electrón pero positiva, mientras que el neutrón es justamente neutro (carga eléctrica nula). La masa del protón y neutrón son aproximadamente iguales (el neutrón es ligeramente más masivo) y equivalentes a 1837 veces la masa del electrón. Esta masa no es la suma de las masas de los quarks constituyentes, pues la mayor parte proviene de la denominada energía de confinamiento.

Recordemos aquí que los protones y neutrones forman el núcleo atómico (véase núcleos, átomos y moléculas).

En general, las partículas formadas por tres quarks se denominan bariones. Comprenden los nucleones, es decir, los protones y neutrones, y también los denominados bariones Delta, Lambda, Sigma, Xi y Omega. Este último está compuesto por tres quarks s y su descubrimiento fue un triunfo de la teoría, que predijo correctamente su existencia y masa. Los bariones tienen espín semientero y son por lo tanto fermiones.

Mesones

Los mesones están formados por un número par de quarks y antiquarks. La mayoría de los mesones conocidos están constituidos esencialmente por un par quark-antiquark (quarks de valencia). Comprenden los piones y kaones y los denominados mesones rho, phi, etc. Los mesones tienen espín entero (0,1, etc.). Las partículas con espín entero se denominan bosones.

Hadrones

Las partículas subatómicas compuestas por quarks se denominan en general hadrones. Se dividen pues en dos grandes grupos: bariones (formados por tres quarks) y mesones (formados esencialmente por un par quark-antiquark).

Partículas mediadoras

En el modelo estándar, las fuerzas entre las partículas elementales son vistas como el resultado del intercambio de otras partículas denominadas partículas mediadoras. Estas partículas tienen espín entero (igual a 1) y son por lo tanto bosones. Se dividen en tres gupos:

1) Fotones. Estas son las partículas mediadoras responsables de las fuerzas eléctromagnéticas, experimentadas por las partículas con carga eléctrica. El fotón tiene masa nula y carga eléctrica también nula.

2) Los llamados bosones de calibrado (en inglés gauge bosons) W+, W- y Z_0, responsables de las interacciones débiles. Estas partículas mediadoras tienen masa muy grande en comparación con la masa electrónica (157000 veces la masa del electrón para los bosones W+ y W-, y 178000 veces la masa del electrón para Z_0). Los bosones W+ y W- tienen además carga eléctrica, igual a la carga del electrón y de signo positivo en W+, y negativo en W-.

3) Los 8 gluones, responsables de las interacciones fuertes entre las partículas con carga de color. Los gluones no tienen masa ni carga eléctrica, pero tienen carga de color.

El premio Nóbel de Física 2008

El mismo fue otorgado a tres físicos que trabajaron en el modelo estandar de la Física de las partículas elementales. El físico estadounidense Yoichiro Nambu (a la derecha) recibió el galardón por el descubrimiento del mecanismo de ruptura espontánea de simetría en la física subatómica y los físicos japoneses Makoto Kobayashi (a la izquierda) y Toshihide Maskawa (en el centro) por el descubrimiento del origen de la ruptura de simetría que predice la existencia de al menos tres familias de quarks en la naturaleza.

El bosón de Higgs

Vista aérea de la zona limítrofe entre Suiza y Francia donde se encuentra el CERN. El anillo indica el acelerador circular subterráneo de 27 km de longitud ubicado a 100 m de profundidad, donde se está instalando el LHC. El bosón de Higgs es la única partícula elemental predicha por el modelo estándar que aún no fue detectada.

Toma su nombre del físico inglés, Peter Higgs, quien planteó la existencia de este nuevo bosón en 1960.

Tiene espín 0, siendo por lo tanto un bosón, y juega un rol importante en el modelo estándar, necesario para explicar en particular las masas de los bosones W_+, W_- y Z. Su carga eléctrica es nula mientras que su masa es actualmente desconocida, aunque se sabe que debe ser mayor que 225000 veces la masa del electrón. Se espera que el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider o LHC), el mayor acelerador de partículas construido hasta el momento en el mundo que comenzará a funcionar próximamente en el CERN (Consejo Europeo para la investigación nuclear, situado cerca de Ginebra, Suiza), pueda detectar esta partícula. Recordemos al pasar que en el CERN nació la World-Wide-Web (WWW).

A la caza del bosón de Higgs

El 10 de septiembre de 2008 se iniciaron oficialmente las primeras pruebas del Gran Colisionador de Hadrones, identificado como LHC, por sus siglas en inglés. Sin embargo, las mismas debieron interrumpirse debido a que una conexión defectuosa entre dos imanes derivó en una fuga de Helio lo que provocó que los superconductores se fundieran. Es costo de la reparación superó los 21 millones de dólares!

Detector CMS

El LHC está operando nuevamente desde el 30 de marzo de 2010. Alrededor de 8000 físicos e ingenieros de más de 80 paises, entre los que se encuentra Argentina, y en particular un equipo de físicos del Departamento de Física de la UNLP, participan en el experimento.

Con este experimento se espera poder recrear las condiciones físicas que imperaban durante los primeros instantes del universo y de esta forma poder explicar sus orígenes. El colisionador está diseñado para acelerar haces de partículas relativamente pesadas como es el caso de los protones [una de las partículas que componen el núcleo atómico y que son un tipo de Hadrón] a lo largo de un túnel de 27 km, proporcionándoles una energía de 7 trillones de electrón-voltios.

Estos haces se hacen colisionar para producir una lluvia de partículas con energías muy elevadas lo que permitiría reproducir una versión en miniatura del Big Bang. Entre estas partículas producto de las colisiones se espera hallar el Bosón de Higgs, llamado así en honor a Peter Higgs, el físico que postuló su existencia. Esta partícula también es conocida como partícula de Dios, porque sería responsable de explicar el origen de la masa de las partículas y de allí que el LHC es llamado máquina de Dios. El acelerador posee

3.000 kilómetros de cables y fibras que proporcionan información a una velocidad de 3.200 terabytes al año, es decir el equivalente al contenido de 3.000 millones de libros. Los datos son evaluados por alrededor de 10000 científicos de todo el mundo, entre los que se encuentran también el equipo de físicos argentinos.

El 4 de julio de 2012 el CERN anuncia el hallazgo de una partícula consistente con el bosón de Higgs

Los experimentos del CERN observan una partícula consistente con el tan buscado bosón de Higgs.

Tal como fue oportunamente anunciado, y en coincidencia con el inicio de la conferencia de altas energías ICHEP2012, la más importante en su especialidad, que este año se realiza en Melbourne, Australia, los experimentos ATLAS y CMS del LHC presentaron el 4 de julio en el CERN, un seminario especial con los resultados preliminares más recientes en la búsqueda del bosón de Higgs. Los dos experimentos han observado fuertes indicios de la presencia de una nueva partícula en el entorno de masas de 125-126 GeV, es decir una partícula cuya masa sería 133 veces la masa del protón, que es de 938,272 MeV. [1 GeV= 1.000.000 MeV, y 1 MeV= 1.000.000 eV. A su vez 1 eV (1 electronvolt) es la energía que adquiere la carga de un único electrón cuando se mueve a través de una diferencia de potencial eléctrico de 1 Volt.]

Esta medida se usa indistintamente como unidad de masa y energía, ya que en relatividad ambas magnitudes se refieren a lo mismo.) Esta observación realizada, con un error muy pequeño, en la región de masas de 126 GeV es muy relevante, dado que éste es el umbral necesario para declarar el descubrimiento de una nueva partícula. Sin embargo, los resultados presentados durante el seminario son aún preliminares. Ambos experimentos dedicarán un tiempo más al análisis, necesario para realizar pruebas adicionales de los datos colectados en el 2012, antes de la publicación científica que se espera a finales de Julio.

El siguiente paso será determinar la naturaleza precisa de esta nueva partícula y su relevancia en nuestro entendimiento de la naturaleza. El camino a seguir para comprobar si se trata o no del bosón de Higgs predicho en 1964, el ingrediente que falta para completar el Modelo Estándar de las partículas fundamentales y sus interacciones[[1]], o si se trata de alguna partículas más exótica, consiste en estudiar las propiedades de esta nueva partícula. Para esto se requieren muchos más datos experimentales, los que serán colectados hasta fin de este año por los experimentos ATLAS y CMS a partir de las colisiones entre protones en el LHC. La observación de una partícula consistente con el bosón de Higgs abre una ventana a la era de las medidas de las propiedades del “Higgs”, lo que permitirá avanzar, de forma sin precedentes, en el conocimiento de la estructura fundamental de la materia.

La Argentina participa en el experimento ATLAS a través de los grupos de altas energías de la UBA, dirigido por el Dr. Ricardo Piegaia y del IFLP (CONICET-UNLP), dirigido por la la Dra. María Teresa Dova, con el apoyo institucional de dichas Universidades, el CONICET y el MINCyT. Los grupos mencionados cuentan con investigadores, becarios y estudiantes, quienes juegan un rol relevante en las investigaciones con la colaboración ATLAS para la búsqueda de nuevas partículas e interacciones, no sólo el bosón de Higgs, sino también aquellas predichas en extensiones del Modelo Estándar.

El premio Nóbel de Física 2013

Englert y Higgs en el Cern el 4 de Julio de 2012

El comité Nobel de la Academia Sueca de Ciencias anunció el 8 de Octubre, que Francois Englert de nacionalidad belga y Peter Higgs de nacionalidad británica, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 2013. Francois Englert, de la Universidad libre de Bruselas, Bélgica, junto a su colega Robert Brout (hoy fallecido), y Peter Higgs, investigador de la Universidad de Edimburgo, en Escocia, postularon teóricamente, hace 50 años, y en forma independiente, la existencia del bosón que proporciona la masa a las partículas fundamentales. El descubrimiento del bosón completa el llamado modelo estándar, que explica el comportamiento de la materia, la radiación, las estrellas, etc. Con la incorporación del mecanismo de Brout, Englert y Higgs (BEH) al modelo estandard se explica como las partículas elementales, que poseen masa, la adquieren al interactuar localmente con el llamado campo de Higgs. Este es uniforme y constante y está presente en todo el universo. Este campo puede vibrar y al hacerlo produce partículas elementales: llamadas bosones de Higgs. Como la masa de estos bosones es muy grande, y además una vez producidos se desintegran casi inmediatamente, se necesitan muy altas energías para acelerar a las particulas elementales y hacerlas colisionar de forma que pueda aparecer este bosón como resultado de los choques. Uno de los objetivos del desarrollo del gran colisionador de hadrones, LHC en el Cern, fue precisamente descubrir la existencia del bosón de Higgs y esto se había logrado en julio de 2012.

Ultimas noticias del LHC

Durante el año 2015 el LHC ha funcionado por primera vez al doble de su potencia, en la búsqueda de nuevos horizontes de la física, más allá del modelo estandard. Durante este año se observaron colisiones entre partículas, que dan lugar a una desintegración en dos fotones, y que son similares al tipo de desintegracion que sirvió para descubrir durante 2012, el bosón predicho por el mecanismo postulado por Brout, Englert y Higgs (BEH).

Según informaciones procedentes del CERN, los datos registrados por los dos grandes detectores del LHC ATLAS y CMS, durante los últimos meses, hablan de la posible existencia de una partícula desconocida con una masa unas seis veces mayor que la del bosón de Higgs. Si bien, según los investigadores los datos son un poco prematuros para afirmar la existencia de esta nueva partícula, el hecho de que ambos detectores hayan registrado un indicio de la misma, con un mismo rango de valores para la posible masa, ha causado una gran espectativa en el CERN.

Núcleos, átomos y moléculas

Para finalizar, recordemos aquí que el átomo está compuesto por un núcleo, formado por protones y neutrones, y un conjunto de electrones "orbitando" alrededor del núcleo (debido a los efectos de la Mecánica Cuántica, que juega un rol esencial en toda esta descripción, los electrones forman en realidad una "nube" alrededor del núcleo). Los protones dotan al núcleo atómico de carga eléctrica positiva. Elementos químicos distintos se diferencian entre si por el número de protones del núcleo atómico (por ejemplo el Hidrógeno tiene un solo protón y el Oxígeno tiene 8), mientras que el número de neutrones determina el isótopo respectivo (por ejemplo, el núcleo del Hidrógeno normal no contiene neutrones, pero el de sus isótopos si: Un isótopo es el deuterio, cuyo núcleo consta de un protón y un neutrón, y otro es el tritio, cuyo núcleo posee dos neutrones y un protón).

La fuerza responsable de la cohesión del núcleo atómico es esencialmente la fuerza derivada de la interacción fuerte. Existen no obstante ciertos efectos originados por la interacción débil y electromagnética. La fuerza que mantiene a los electrones alrededor del núcleo es en cambio de origen electromagnético.

El tamaño del núcleo, medido por su radio, depende del número de protones y neutrones, pero esencialmente es del orden de unos pocos Fermis. Un Fermi es aproximadamente el tamaño de un protón o neutrón, y equivale a una billonésima parte de un milimetro (0,000000000001 mm). El tamaño de un átomo, determinado por la nube electrónica, es aproximadamente diez mil veces mayor que el tamaño del núcleo (del orden de un Angstrom, que equivale a la diez millonésima parte de un milímetro (0,0000001 mm)). En comparación con el átomo, el núcleo es pues como una mosca en un estadio de fútbol, aunque concentra prácticamente toda la masa (recordemos que la masa de un protón es 1837 veces mayor que la de un electrón). Por otro lado, el tamaño de un quark, componente elemental del protón y neutrón, debe ser menor que una milésima de Fermi si se lo considera como puntual. Véase también el átomo.

Los átomos a su vez se agrupan para formar moléculas, siendo la fuerza de cohesión molecular de origen puramente electromagnético (y los efectos cuánticos jugando nuevamente un papel esencial). Los objetos cotidianos están formados por un gran número de moléculas (¡del orden de 600.000.000.000.000.000.000.000 moléculas!). En los cuerpos sólidos las moléculas están ubicadas aproximadamente en forma regular formando una red, mientras que en líquidos y gases las moléculas están desordenadas y la distancia intermolecular es mayor.