12 partículas de la materia

La física de partículas

La física de partículas nos permite conocer cuáles son los constituyentes de la materia y sus interacciones. A lo largo del siglo 20, los físicos y los matemáticos, especialmente han desarrollado un modelo que explica el universo observable y, en particular, la materia y sus interacciones, este modelo se llama el "modelo estándar". Las partículas elementales de la materia y sus interacciones fueron construidos después de Big Bang y cuatro fuerzas o interacciones conocidas son la interacción fuerte, la interacción débil, el electromagnetismo y por supuesto la gravedad. El Modelo Estándar no describe la cuarta interacción, la interacción gravitacional.

¿Cuáles son estas partículas y cómo interactúan entre sí?

En el mundo de las partículas subatómicas que componen la materia, manipulamos la más pequeña de las energías naturales (eV) y longitudes muy cortas, del orden de 10^-15 a 10^-17 metros, muy por debajo de la cintura un átomo que es 10^-10 metros, pero se sabe que un átomo se compone de 99,99% de vacío.

Las partículas no son visibles, pero sin embargo son detectables si se aplica suficiente energía, del orden de giga electrón-voltios (GeV). Energía y la masa son dos aspectos de un mismo fenómeno, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein (E = mc2), la masa puede convertirse en energía y viceversa. Debido a esta equivalencia, la masa y la energía se pueden medir con la misma unidad. En el ámbito de la física de partículas, es el electrón-voltio (eV). En el modelo estándar de las partículas elementales de la materia son 12 en total, los seis quarks, los tres electrones y equivalentes y los tres neutrinos. Las leyes de simetría también llamada invariancia, introducido en la física antes de 1964 sólo puede ser validado si las partículas elementales no tienen masa inercial.

Pero si, como los fotones, las partículas no tienen masa, para que puedan viajar a la velocidad de la luz, el universo no pueden contener materia que sea en forma de radiación, entonces las partículas elementales no puede unirse en núcleos. Es aquí que el mecanismo de Higgs que da la masa a las partículas primarias y por lo tanto preserva las leyes físicas de la simetría. Las partículas adquieren una masa mediante la interacción con el campo de Higgs que impregna todo el espacio. Como sucede a menudo en la ciencia hay muchos precursores de una teoría y es la misma cosa para el mecanismo de Higgs, los precursores son Philip Warren Anderson, Yoichiro Nambu, Julian Schwinger, Robert Brout, François Englert, pero Peter Higgs que mejor describe el mecanismo y sobre todo el propio Higgs. El co-descubridor del mecanismo de Higgs son Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen, Thomas Walter Bannerman Kibble. Este mecanismo fue tomada por Steven Weinberg, Abdus Salam y Sheldon Glashow para crear el modelo estándar.

nota : energías manejadas en el LHC, la energía total liberada es 14 TeV (14 x 10¹² eV). Sin embargo, si convertimos esta cantidad en julios, que es una cantidad muy pequeña de la energía :

1 eV = 1,60217653 x10^-19 J.

14 TeV = 22,4 x10^-7 J.

En comparación, la energía liberada por la caída de una piedra de 1 kg que caen desde una altura de 1 m, es de 9,8 julios, o 10 millones de veces la energía manejada por el LHC. Pero la energía del LHC se concentra en un pequeño haz de electrones, que es considerable.

Imagen : Simulación de colisiones de partículas. Las partículas no son visibles, pero sin embargo son detectables si se aplica suficiente energía, del orden de giga electrón-voltios (GeV). Energía y la masa son dos aspectos de un mismo fenómeno, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein (E = mc2), la masa puede convertirse en energía y viceversa. Debido a esta equivalencia, la masa y la energía se pueden medir con la misma unidad. En el ámbito de la física de partículas, es el electrón-voltio (eV).

El mecanismo de Higgs

El mecanismo de Higgs da masa a todas las partículas elementales, pero no se dice nada acerca de la masa del bosón de Higgs en ​​sí, sólo se sabe que tiene una masa de 2 GeV a 1000 GeV, que es muy vago. Una partícula se puede ser observar en un detector que en energía mayor o igual a su propia masa. El bosón de Higgs no ha sido observada en el detector en el LEP (Large Electron Positron Collider), debido el poder del colisionador (114 GeV) no es suficiente para que aparezca el Higgs. Por tanto, era necesario sustituir el LEP por el LHC (Large Hadron Collider), uno colisionador mucho más potente 7000 GeV o 7 TeV. LEP fue desmantelada en el otoño de 2000 y es con el LHC operativo desde el 10 de septiembre de 2008, los científicos esperaban encontrar el bosón de Higgs. El 04 de julio 2012, el descubrimiento fue anunciado y 14 de marzo de 2013, el CERN (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear) emitió un comunicado en el que afirmó que el nuevo bosón descubierto "parece cada vez más" a un bosón de Higgs, pero no está claro que es el bosón de Higgs del modelo estándar.

Ahora sabemos que el bosón de Higgs tiene una masa de 126 GeV como Atlas y CMS, dos de los cuatro experimentos principales (Atlas , CMS , Alice y LHCb) se observaron independientemente, la redonda de los protones y deducir esta propiedad del bosón de Higgs. Un cruce de paquete de protones se hace cada 50 nanosegundos y haciendo tornar durante horas, 1 400 paquetes de 2048 protones en cada sentido, los científicos pueden obtener algunos choques interesantes en el punto de colisión de 20 µm, ubicado en cada experimento.

Entre todos las colisiones (50 de cruz), la mayoría no son interesantes, porque implican energías muy bajas. Después de varios reinyección de paquetes para compensar el desgaste (protones destruidos por colisiones), los ordenadores clasifican los eventos interesantes para ofrecer a los análisis

En 2011 y 2012, aproximadamente 1 015 colisiones se produjeron por experiencia (la experiencia es el término utilizado para nombrar a los observatorios de colisiones que son los detectores de partículas, Atlas, CMS, Alice y LHCb).

La zona de paso que permite colisiones tiene una longitud de 7 cm y un diámetro de 20 µm. En 1993, el ministro británico de la ciencia William Waldegrave lanza un challenge para tener una explicación, la más simple posible, del campo de Higgs y del bosón de Higgs.

Fue David Miller (CERN), que ganó el challenge, sugiriendo el siguiente escenario :

En una reunión de físicos, los huéspedes llenan toda la habitación de manera uniforme, como el campo de Higgs llena todo el espacio. Miller David representa en esta imagen, el concepto de vacío cuántico que no está vacío, pero donde se producen fluctuaciones de energía, las partículas virtuales pueden interactuar con partículas reales. Fue entonces en la habitación arriba Einstein que simboliza una partícula elemental libre de sus movimientos, su masa inercial es igual a cero. A medida que avanza en la habitación (vacío cuántico), personas (partículas virtuales) se agrupan alrededor de ello y es difícil de empujarlo, adquiere una masa de inercia. Tenemos entonces la imagen del vacío que se condensa alrededor de una partícula. El mecanismo de Higgs es, precisamente, la condensación de vacío alrededor de una partícula que interactúa con el campo de Higgs, lo que le da una masa. Supongamos que esto no es Einstein entra en la habitación, pero un rumor que propagarse (una energía de 126 GeV), entonces los físicos aún se agrupan alrededor de la rumor para oírla. Esta masa de gente que lleva el rumor es el bosón de Higgs que adquiere una masa (126 GeV). Escenario y diseño, CERN.

Imagen : el bosón de Higgs, en la imagen

Imagen : el campo de Higgs

Imagen : la masa de una partícula

12 partículas de la materia

Ambos tipos de partículas de la naturaleza son fermiones y bosones. La materia que compone los objetos que nos rodea está hecho de fermiones. Los fermiones son partículas de espín 1/2 lleno, dicen asociales, en otras palabras, se niegan a reducir su espacio de vida, es por eso que la materia no es compresible y que podamos caminar en el suelo. Por contra, los bosones son partículas con espín entero, que son sociales. A ellos les gusta mezclar como la luz se mezcla con la luz, está compuesta de fotones que son bosones.

El Modelo Estándar describe con éxitos, tres de las cuatro interacciones fundamentales : la interacción fuerte, la interacción débil y la interacción electromagnética. La tabla de partículas elementales contiene 12 partículas (fermiones) clasificadas en tres generaciones de la materia, la materia que nos rodea forma parte de la primera generación.

Las 12 partículas elementales de la materia son seis quarks (Up, Charm, Top, Down, Strange, Bottom), los tres electrones (electrón, muón, tau) y tres neutrinos (electrón, muón, tau). Cuatro de estas partículas elementales son suficientes, en principio, para construir el mundo que nos rodea : los quarks up y down, el electrón y el neutrino electrón. Otros son inestables y se descomponen para llegar a estas cuatro partículas. Los bosones son los mensajeros que transmiten la información de las diferentes interacciones (fuerzas). El fotón es la partícula mediador de la interacción electromagnética. El gluón es el mensajero de la interacción nuclear fuerte, estructurando la materia. Ellos confinan a los quarks entre sí por unirlos fuertemente. El bosón Z0 es uno de los bosones de gauge de la interacción débil es la partícula portadora de la interacción débil, el otro es el bosón W ± que se presenta en dos estados de cargas eléctricas opuestas.

nota : La mayoría de los fenómenos que nos rodean se debe a la interacción electromagnética, el mediador de la fuerza electromagnética es el fotón. El fotón es la luz visible, las ondas de radio, rayos ultravioleta, los rayos X, los rayos gamma, que llenan nuestro entorno cotidiano. Los fotones son "paquetes" de energía primaria o quanta de radiación electromagnética, que se intercambian durante la absorción o emisión de luz por la materia.

Imagen : Tabla de las partículas elementales del modelo Estándar, clasifica los fermiones, los 12 constituyentes de la materia (electrones, muones, neutrinos y quarks) y los bosones vectores de las interacciones (fuerzas). Los bosones vectores también son partículas que transportan las interacciones fundamentales. La generación de las partículas II y III tienen las mismas propiedades que la generación de partículas I, pero son mucho más pesadas​​. Inicialmente, al período del Big Bang, todas estas partículas coexistieron pero las partículas pesadas se han desintegrado en partículas ligeras. Hoy, no encontramos en la naturaleza, partículas pesadas de la generación II y III, sólo los colisionadores son capaces de generar las temporariamente. En este cuadro faltan antimateria desapareció en favor de partículas, cada partícula tiene su antipartícula. El Modelo Estándar no describe la interacción gravitatoria.

Imagen : Los tamaños de las partículas de material. El protón está formado de 2 quarks u y 1 quark d, la carga del protón, por tanto, es de +2/3 + 2/3 -1/3 es 1, mientras que el neutrón se forma de 2 quarks d y 1 quark u, la carga del neutrón, por lo tanto es -1/3 -1/3 +2/3 es 0. La fuerza electromagnética une los electrones al núcleo. Se permite que los átomos que forman las moléculas. Esta fuerza es sentida por los quarks y leptones cargados, ha degastado por los fotones.

nota : Poder relativo (aproximado) de las interacciones. Si la fuerza fuerte es igual a 1, entonces la fuerza electromagnética es de 10^-2, es decir, 100 veces menor, la fuerza débil es de 10^-5, 10 000 veces más pequeña y la fuerza de la gravedad es de 10^-40, es decir, insignificante.