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Las partículas elementales
Las partículas elementales son las partículas segun la téoria y la experiencia actual (2012) no pueden ser decompuestas en particulas mas pequeñas.
Los fisicos las clasifican en dos categorias :
- Los fermiones o particulas de materia.
- Los bosones gauge quienes son las particulas mediadoras de fuerza o partículas portadoras de las interacciónes fundamentales.
Las particulas elementales de materia : los fermiones
Generación I: electrón, neutrino electrónico, quark arriba, quark abajo.
Generación II: muon, neutrino muónico, quark extraño, quark encantado.
Generación III: tauón, neutrino tauónico, quark fondo, quark cima.
En el centro de los átomos, los nucleones (protones y neutrones) no son particulas elementales.
Cada uno de ellos compuestos por tres particulas elementales (origen de la imagen CERN)
Los quarks ariba (Up) y abajo (Down ) son los constituyentes de los protones y los neutrones.
Los protones estan contituidos de dos quarks arriba y de uno quark abajo.
Los neutrones de un quark arriba y de dos quarks abajo
Los quarks
El quark arriba lleva una carga eléctrica = 2/3 (en relacion a la carga del electrón)
El quark abajo lleva una carga eléctrica = -1/3 ( en relacion ) a la carga del electrón)
Los quarks estan unidos por la interacción fuerte que se manifiesta mediante el intercambio de gluones.
No podemos observar quarks aislados debido a la fuerte interacción que maintienen las particulas confinadas que aumentan con la distancia entre ellos.
Los differentes tipos de quarks
Los leptones
Los leptones de la primera generaciónes son el electrón y el neutrino electrónico.
Las otras dos generaciones de fermiones, constituidas de materia mas pesada, no aparecen que en los procesos de altas energias
La antimatéria
La antimatéria
Por cada una de las particulas de materia, existe tambien una antiparticula o particula de antimatéria, que le es parecida salvo por una propiedad, como la carga electrica, que es invertida.
El electron, por exemplo, tiene una carga electrica negativa mientras que su antiparticula tiene una carga eléctrica positiva.
Cuando una particula es creada, su antiparticula es creada tambien al mismo tiempo.
Los particulas elementales de interacciones
o bosones de gauge
Son los particulas elementales portadoras de las interacciones fundamentales
Los fotónes, las particulas de la luz, son los soportes de la interacción electromagnética
Los particulas vectoras de la interacción débil son los bosones W+, W- et Z.
Las particulas vectoras de la interaccion fuerte se llama gluones. ( su estudio releva de la cromodinamica cuántica )
Les bosones de Higgs ( cuya confirmacion de su descubrimiento en el L.H.C., con 99,9999 % de certeza ha sido anunciado por el CERN en junio 2012 )
Este particulas essenciales a la teoria, dan la masa a las otras particulas elementales..
El campo de Higgs llenaba el vacio
Las particulas vectoras de la gravitación ( graviton ) no habian sido descubiertas aun, pero su existencia fue seriamente anticipada por la theoria.
La teoria utilizada en la fisica de particulas se llama la teoría cuántica de campos , con los resultados experimentados, ella forma el modelo estándar de física de partículas
Las interracciones entre las particulas de materia ( fermiones ) actúan todas a traves de particulas de interracciones ( bosones de gauge )
En la teoria cuántica de campos, todas las particulas , (fermiones y bosones ) son consideradas bajo formas de campos mátematicos.
Los físicos conocen cuatro tipos de interacciones fundamentales.
La interacción electromagnética o fuerza electromagnética
El dominio que estudia la interacccion entre la luz y la materia, es decir la interacción entre fotones y electrones, se llama la electrodinámica cuántica
La interacción nuclear débil o fuerza nuclear débil
responsable entre otras cosas de la radioactividad ß
La interacción nuclear fuerte o fuerza nuclear fuerte
Responsable entre otras cosas de la cohésión de protones y neutrones
Las antipartículas de los bosones gauge
Las antipartículas de los bosones gauge
El fotón no tiene antipartícula, o si prefieres es idéntico a su propia antipartícula. ¿Cuál es la antipartícula del gluón? Hay ocho gluones, ¿el gluón rojo-antiazul es la antipartícula del gluón azul-antirrojo? Si lo es, entonces ¿el bosón W+ (arriba-abajo) es la antipartícula del bosón W− (abajo-arriba)? Para muchos físicos de partículas (p. ej. el Nobel Veltman) esto está tan claro como que la antipartícula de un fermión de Dirac (quark o leptón) es un antifermión de Dirac (antiquark o antileptón). Pero hay físicos de partículas que no lo tienen tan claro. ¿Qué es la antipartícula de un bosón gauge?
En la teoría cuántica de campos las partículas asociadas a un campo se describen mediante representaciones irreducibles del grupo de Poincaré. Sin entrar en detalles matemáticos, hay que destacar que hay representaciones reales y complejas (también las hay pseudorreales pero equivalen a las reales). La antipartícula se representa aplicando la operación complejo conjugado a la representación de la partícula. Por tanto, las partículas descritas por una representación real no tienen antipartícula. Las antipartículas son una propiedad exclusiva de las partículas descritas por representaciones complejas. ¿Cuál es la representación de los bosones gauge?
Lo que define un campo gauge es reemplazar el operador derivada por la derivada covariante. Como ilustra la figura, el potencial del campo gauge se suma a la derivada para dar lugar a la derivada covariante, luego tiene que ser real como ésta (no puede ser complejo). Por tanto, para un matemático, el campo gauge actúa en una representación real. En rigor, los ocho gluones y los dos bosones W no tienen antipartícula, son su propia antipartícula. Por supuesto, un físico de partículas puede afirmar que los campos gauge solo tienen sentido cuando actúan sobre una partícula y que heredan la representación de dicha partícula. En dicho caso, cuando actúan sobre fermiones, los gluones tienen como antipartículas a otros gluones, y los bosones W forman un par partícula-antipartícula.
Como es habitual en física cuántica, el concepto de interpretación (como decimos o llamamos a las cosas) está sujeto a opiniones (y a veces hasta a polémicas). En la práctica lo único importante es tener claro las propiedades de los objetos con los que se trabaja, siendo poco relevante qué nombre les asignemos. Esta entrada nace de una pregunta en Twitter de Quantum @quantic27 a la que contestó Alberto Aparici @cienciabrujula y a la que yo no pude resistir entrometerme.
Los gluones son los bosones vectoriales asociados a la interacción fuerte descrita por el grupo gauge SU(3)C. Hay tres cargas de color cuyos valores positivos se llaman colores (rojo, verde y azul) y cuyos valores negativos se llaman anticolores (antirrojo, antiverde y antiazul, a veces llamados cian (celeste), magenta (fucsia) y amarillo). Los ochos gluones del campo cuántico fuerte se representan mediante las componentes de una una matriz 3×3 de determinante unidad (por eso hay ocho gluones en lugar de nueve). En la derivada covariante solo puede aparecer un número real, que se obtiene a partir de la matriz premultiplicándola por el vector fila de las tres cargas de anticolor y postmultiplicándola por el vector columna de las tres cargas de color.
Lo habitual es indexar las filas de la matriz SU(3) con los anticolores y las columnas con los colores; así la componente g(1,2) corresponde a g(antirrojo,verde) y la componente g(3,2) a g(antiazul, verde); hay dos gluones diagonales que están representados por sendas combinaciones lineales de las componentes de la diagonal de la matriz, g(antirrojo,rojo), g(antiverde,verde) y g(antiazul,azul). La idea es que un gluón antirrojo-azul interacciona con un quark rojo y lo transforma en quark azul, es decir, aniquila el color rojo y crea el color azul; mientras que los dos gluones diagonales al interaccionar con un quark de cierto color lo transforman en un quark del mismo color.
Martinus Veltman, Premio Nobel de Física 1999, en su libro «Facts and mysteries in elementary particle physics,» World Scientific (2003), dice que la antipartícula del gluón antiazul-rojo es el gluón antirrojo-azul [página 69]; los gluones diagonales serían idénticos a su antipartícula. Sin embargo, muchos físicos de partículas no lo tienen tan claro, incluso si opinan que el bosón W+ es la antipartícula del bosón W−. Por cierto, en este libro Veltman afirma que la tercera posible combinación lineal de elementos de la diagonal de la matriz de gluones corresponde a un hipotético gluón de color blanco, con iguales cantidades de todos los colores; este hipotético noveno gluón no es observable estudiando las interacciones entre quarks y gluones, pero según Veltman en este libro nada prohíbe su existencia [página 77].
Los bosones débiles W1, W2, y W3 son los bosones vectoriales asociados a la interacción débil descrita por el grupo gauge SU(2)L a alta energía y el bosón B es el asociado a la interacción U(1)Y a alta energía; a baja energía, tras la rotura espontánea de la simetría electródebil el campo de Higgs se acopla a estos bosones y produce los bosones débiles W+, W−, y Z0, y el fotón γ, donde estos dos últimos son sendas combinaciones lineales de los bosones W3 y B. Las dos cargas asociadas a la simetría SU(2) se llaman isospín débil y sus valores positivos son arriba (up) y abajo (down), no recibiendo nombre sus valores negativos, aunque en analogía con la carga de color deberían llamarse antiarriba (antiup) y antiabajo (antidown); por cierto, en analogía con la carga eléctrica deberían llamarse arriba negativo y abajo negativo.
Los tres bosones vectoriales del campo cuántico débil se representan mediante las componentes de una matriz 2×2 de determinante unidad (por eso hay tres en lugar de cuatro). En analogía con los gluones, las filas de la matriz SU(2) se podrían indexar con las anticargas débiles y las columnas con las cargas débiles; en dicho caso, el elemento g(1,2) sería el g(antiarriba,abajo), ya que transforma una partícula tipo arriba (quark tipo arriba o neutrino) en una partícula tipo abajo (quark tipo abajo o leptón cargado). Sin embargo, como solo hay que distinguirlo del bosón vectorial g(2,1), que sería el g(antiabajo,arriba), muchos libros prescinden del prefijo anti- y nombran al bosón g(1,2) como arriba-abajo y al bosón g(2,1) como abajo-arriba, lo que puede generar confusión entre los estudiantes de física.
En su libro, Veltman afirma que el bosón W+ es la antipartícula del bosón W−, y viceversa, es decir, el bosón g(antiarriba,abajo) sería la antipartícula del bosón g(antiabajo,arriba), en analogía con su convenio para los gluones. Sin embargo, muchos físicos prefieren afirmar que los gluones no tienen antipartículas; en dicho caso, en rigor, deberían afirmar que los bosones W tampoco las tienen, pues nos encontramos con una formulación matemática muy similar.
En resumen, cómo llamamos a las cosas es una cuestión de convenio; para muchos físicos de partículas los bosones W tienen antipartículas y los gluones no tienen antipartículas; para otros todos ellos tienen antipartículas, o incluso ninguno las tiene. En cualquier caso, espero haber aclarado un poco el concepto de antipartícula aplicado a los bosones gauge; en el contexto de las representaciones de grupos de simetría, en mi opinión, no hay ninguna duda (no tienen antipartícula).
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