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El interior del átomo
El interior del átomo
Dentro de un átomo encontramos nucleones, es decir protones y neutrones, dentro de los cuales vamos a encontrar quarks.
Es la física de las partículas que estudia los componentes y las energías más pequeñas de la naturaleza. Se interesa por el minúsculo, es decir por los elementos fundamentales de la materia.
Las dimensiones estos componentes se sitúan en la playa que va de 10-19 a 10-15 metro, mientras que la unidad de energía más frecuentemente utilizada es el electronvoltio (eV) y sus derivados, el keV (103eV, MeV (106eV, GeV (109eV y Tev (1012eV. El electronvoltio es una unidad cómoda porque las cantidades de energía estudiadas por los físicos de las partículas son muy pequeñas.
Para darse cuenta de energías manipuladas, citaré el caso del LHC, la energía total soltada por una colisión es de 14 tipos de TeV, lo que lo hace el acelerador más poderoso de partículas del mundo.
Sin embargo, si se convierte esta cantidad en julios, se trata de una cantidad muy pequeña de energía : 1 eV = 1.602 x 10-19 julios.
14 tipos de TeV = 22.4 x 10-7 julios.
En calidad de comparación, la energía soltada por la caída de una piedra de 1 kg, de una altura de 1 m está de 9,8 julios, es decir 6,1 x 1019 eV.
Imagen : Las dimensiones de las partículas elementales
Imagen : Las dimensiones de las partículas elementales
Imagen: Potencias de diez utilizadas en física
Imagen: Potencias de diez utilizadas en física
El interior de la materia en 1950
El interior de la materia en 1950
Un hadrón es un compuesto de partículas subatómicas regido por la interacción fuerte. Estas partículas son constadas por quarks y\o por antiquarks así como por gluones, como los protones y los neutrones. Desgraciadamente, la naturaleza es mucho más complicada que pensábamos en ello en el siglo 20. Sabemos ahora que el mundo de las partículas es extremadamente rico. Para saciar su curiosidad, el hombre es obligado a crear máquinas infernales (Tévatron, LHC), cada vez más poderosas para pelar la materia hasta los confines del minúsculo.
En los años 1950, las partículas elementales proliferan a punto que el alfabeto no tiene bastantes cartas para nombrarlas : contábamos entonces más de 400.
Image : Clasificación de las partículas elementales en los años 1950
Image : Clasificación de las partículas elementales en los años 1950
Las 4 fuerzas o las interacciones conocidas
Las 4 fuerzas o las interacciones conocidas
La fuerza fuerte ata entre ellos los quarks, que constituyen así protones y neutrones (y otras partículas). Es también a ella quien ata los protones y los neutrones en el núcleo, superando la repulsión enorme y eléctrica que se ejercita entre los protones. Esta fuerza es sentida por los quarks y llevada por los gluones.
La fuerza electromagnética ata los electrones al núcleo dentro del átomo, permite a los átomos formar moléculas, y está al principio de las propiedades de los sólidos, los líquidos y los gases. Esta fuerza es sentida por los quarks y los leptones cargados. Es llevada por los fotones.
La fuerza débil suscita la radioactividad natural, por ejemplo la que se encuentra en la Tierra.
Es también un factor esencial de las reacciones nucleares en los centros de las estrellas tales como el Sol, donde el hidrógeno es convertido en helio. Es sentida por los quarks y los leptones y llevada por los bosones W y Z.
La fuerza gravitacional o gravitado hecho derribar las manzanas de los árboles. Es una fuerza de atracción. A la escala astronómica, entrega la materia en los planetas y las estrellas, y reúne las estrellas para formar galaxias.
Imagen : Ilustración del electrón, el electrón en realidad no tiene localización precisa. Él permanece en una especie de vaga, tanto un poco aquí y un poco allí
Imagen : Ilustración del electrón, el electrón en realidad no tiene localización precisa. Él permanece en una especie de vaga, tanto un poco aquí y un poco allí
Modelo estándar
Modelo estándar
Hoy en día el Modelo Estándar describe con éxito tres de las cuatro interacciones fundamentales : fuerte, débil y electromagnética.
La tabla de las partículas elementales contiene tres familias :
- Los quarks Up y Down, los leptones, el electrón y el neutrino del electrón,
- Los quarks Charme y Strange y leptones muón y neutrinos muón,
- los quarks Up y Down y los leptones tau y el neutrino tau. Cuatro de las partículas elementales sería suficiente, en principio, para construir el mundo que nos rodea : los quarks Up y Down, el electrón y el neutrino del electrón.
Los otros son inestables y desintegrarse para alcanzar estas cuatro partículas.
Nota : El modelo estándar no describe la cuarta interacción : la interacción gravitatoria.
Hadrón de griego adros
Hadrón de griego adros
No hay que imaginar el protón, el neutrón u otro hadrón como un objeto cuajado. Podemos pensar que es una bola cargada eléctricamente pero es una imagen muy mal adaptada. En un protón, encontramos quarks, antiquarks y gluones. El hadrón contiene 3 quarks más que de antiquarks : esto son " los quarks de valencia ". Dan en el barión su carga eléctrica y sus otros números cuánticos. Otros quarks constituyen "el mar quarks antiquarks". El gluon representan 30 al 40 % de la energía del protón. Dentro del campo cerrado del protón es decir a (10-15 metros), los quarks se mueven libremente. Es sólo cuando tienden a apartarse que las fuerzas se intensifican y las impiden alejarse. Nombramos esta propiedad " libertad asintótica ". Esta libertad a distancia corta es característica de la teoría de gauge del color. Quarks transportan cargas de color que circulan entre ellos. Pueden ser de color rojo, verde o azul asociado a la teoría llamada cromodinámica cuántica. Los teóricos han elegido esa palabra para referirse a cualquier objeto que existe debe ser blanco. Un protón de existir debe tener tres quarks de cada color, rojo, verde y azul, lo que le confiere la propiedad "blanco" es la suma de tres colores. Los gluones que llevan la fuerza nuclear fuerte, ellos mismos son sensibles a la intensidad del color. Los hadrones interactúan y forman una especie de gelatina cada vez más rígida, a medida que aumenta, la energía involucrada, lo que hace que el confinamiento de los quarks. Si aunque no hay que imaginar el protón, el neutrón u otro hadrón como un objeto cuajado, sino de modo dinámico como un tipo de sombrero de prestidigitador donde se encuentra tantas cosas que se pone allí enérgicamente para buscarlos.
Los quarks son los constituyentes de base de la materia y las fuerzas actúan a través de partículas portadoras que circulan entre las partículas de materia. Las fuerzas también se distinguen por intensidades diferentes.
Lo que hay que retener es que, energía y agrupa son dos aspectos del mismo fenómeno, conforme a la ecuación célebre de Einstein (E = mc2), la masa puede transformarse en energía y a la inversa. En el LHC, tal transformación se produce en el momento de cada colisión. Debido a esta equivalencia, masa y energía pueden ser medidas con las mismas unidades. A la escala de la física de las partículas, se trata del electronvoltio.
La gran unificación de las partículas elementales y de sus interacciones fundamentales preocupa desde hace tiempo la comunidad de los físicos. Einstein dedicó sin éxito los treinta últimos años de su vida a la búsqueda de una teoría unificada por el electromagnetismo a la gravitación.
Hoy, el fin está lejos de haber padecido.
Imagen : Punto de colisión de partículas en un colisionador, mostrando una multitud de otras partículas que se desintegran instantáneamente. Los productos de la colisión o más bien los productos de desintegración de las partículas pesadas, son analizados por los detectores y sub-detectores. Cada detector está diseñado para un tipo de producto de desintegración (fotones, electrones, hadrones, muones) y los productos de desintegración permiten a los científicos reconstruir la partícula producida por la colisión antes de la desintegración.
Imagen : Punto de colisión de partículas en un colisionador, mostrando una multitud de otras partículas que se desintegran instantáneamente. Los productos de la colisión o más bien los productos de desintegración de las partículas pesadas, son analizados por los detectores y sub-detectores. Cada detector está diseñado para un tipo de producto de desintegración (fotones, electrones, hadrones, muones) y los productos de desintegración permiten a los científicos reconstruir la partícula producida por la colisión antes de la desintegración.
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