Partículas elementales
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Partículas elementales: Este termino se usa para designar a las partes más pequeñas de la materia, a principios de siglo se creían que eran los átomos, pero avances en el área de la electrónica y radiactividad han demostrado lo contrario.
Sumario
Historia
En 1897 el físico J. J. thomson descubrió el electrón, partícula de carga negativa, que está en las capas exteriores del átomo. En 1920 se descubrió una partícula de carga positiva llamada protón, más tarde en 1932, se descubrió una de carga neutra, llamada neutrón. Estas tres clases de partículas componían el modelo atómico de Bohr, mediante este modelo, se podían descubrir los átomos que conforman la materia, o sea, los elementos químicos.
Pero esta teoría no explicaba el resultado de ciertos experimentos, hasta que algunos científicos postularon la existencia de partículas más pequeñas. A. M. Dirac postuló que existía una partícula con la misma masa del electrón, pero con carga positiva, el positrón. Esta teoría de demostró en [[1932] con la radiación cósmica, cuando un electrón y un positrón chocan, se destruyen, y producen una radiación de aniquilación. Las partículas que desaparecen al chocar se llaman antipartículas, los antiprotones se descubrieron en 1955 y los antineutrones en 1956. Estos trabajos pudieron encontrar la antimateria, y posteriormente crearla en los laboratorios.
Los científicos encargados de estudiar la materia a pequeña escala, han descubierto muchas nuevas partículas pero la mayoría tiene una vida muy corta y rápidamente se convierten en otras partículas o se transforman en radiación.
Las propiedades de las partículas elementales se estudian bombardeando con ellas núcleos a atómicos u otras partículas, después de acelerarlas para darles gran energía. Las partículas utilizadas se obtienen de la radiación cósmica u otras veces de un acelerador. Después pasan por un detector donde chocan con otras partículas, los choques de estas y los cuerpos resultantes de estas interacciones violentas, se ven como trazas en una placa fotográfica, o como liquido en una cámara de burbujas, o como una nube un una cámara de niebla o expansión.
En la actualidad se sabe que estas partículas (más de cien) están compuestas por otras más pequeñas llamadas quarks, encuadradas en 3 familias. Es decir, que la materia está compuesta por leptones (electrón y su neutrino electrónico) y quarks (up y down, en el protón y neutrón , o sea, en los nucleones).
Con la detección de quark top en 1995 se inicia para los físicos de partículas la tarea de explicar el origen de la masa de las partículas elementales. El primer obstáculo es la confirmación de la existencia de la partícula higgs, para lo cual Europa se afana por construir el gran acelerador de partículas LHC(CERN).
Las fuerzas fundamentales
-La interacción gravitatoria o Gravedad actúa sobre todas las partículas confiriendo cohesión a la materia. Es de largo alcance y es la interacción que domina entre los cuerpos del universo.
-La interacción electromagnética se basa en la atracción que experimentan las cargas de signo distinto. Es la interacción que permite mantener ligados los átomos.
-La interacción fuerte actúa en el interior del núcleo atómico y, a pesar de que las cargas de igual signo se repelen, permite mantener unidos los protones y los neutrones.
-la interacción débil es la responsable de la desintegración radiactiva de algunos núcleos. A energías muy altas la interacción débil y la electromagnética parecen estar ligadas íntimamente.
Tipos de partículas elementales:
Leptones:
Electrón,Muón,Tau y los Neutrinos electrónico, muonico, tauonico
Otros:
Gluones,Fotón,Bosones,Vectoriales,Bosón Z,Higgs y el Gravitón (estos ultimos no han sido observadas experimentalmente)
Quarks: Hay seis tipos distintos de quarks que los físicos de partículas han denominado de la siguiente manera:
up (arriba)
down (abajo)
charm (encanto)
strange (extraño)
top (cima)
bottom (fondo).
Quarks
Quark:Cada una de las seis partículas elementales, que con sus antipartículas forman los Bariones y los Mesones.Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales.Los quarks son partículas parecidas a los gluones en peso y tamaño,esto se asimila en la fuerza de cohesión que estas partículas ejercen sobre ellas mismas. Son partículas de espín 1/2, por lo que son fermiones. Forman, junto a los leptones, la materia visible.
Composición
La materia está formada por quarks y leptones, los quarks forman protones y neutrones, y los leptones, cosas como los electrones y su neutrino., además existe una tercera partícula que actúa transmitiendo las fuerzas que actúan en quarks y leptones, llamadas bosones, que forman por ejemplo; el fotón, que es el encargado de transmitir la interacción electromagnética. Se ha descubierto que los hadrones no son partículas elementales, y están constituidos por quarks.
Existen 3 familias de quarks y cada una posee dos tipos distintos, cada familia posee una masa que duplica a la anterior. La primera familia está formada por los quarks up (u) y down (d), el quark up, tiene una masa de 4 millones de electrón-voltios (MeV) aproximadamente 1/250 veces la masa del protón, el quark down tiene 8 MeV.
La segunda familia está formada por el quark strange (s) y charm (c) cuyas masas son de 200 y 1.500 MeV respectivamente. La tercera familia está formada por el bottom (b) y top (t) quarks, el primero tiene 5.500 MeV y el segundo 199 GeV. La carga eléctrica de los quarks es fraccionaria, el up quark tiene una carga fraccionaria de 2/3 y el down quark de –1/3, el protón consta de un up quark y un down quark, lo que suma una carga total de 1/3, el neutrón tiene dos up quarks y un down quark, por lo tanto tiene una carga nula. Solo las dos primeras familias de quarks y leptones, forman la materia ordinaria, el resto solo se observa fugazmente en los grandes colisionadores.
Los diversos quarks se pueden combinar para crear todas las partículas conocidas, salvo los leptones y bosones, de manera que el protón resulta u d d, el neutrón u d d, etc. Además suponiendo que entra la masa del d y u quarks hay 4 MeV y la de los s y c quarks, hay 150 MeV, se puede dar una aproximación muy buena de todas las partículas. Esto no explica por que existen partículas creadas solo por 2 quarks ni tampoco por que no se pueden observar aislados. Fue necesaria la introducción de los números cuánticos, como el color, cuyos valores son de r, a y v, y el sabor, que caracterizan muchas partículas.
La búsqueda de los quarks
La estructura de los detectores empleados en los laboratorios de todo el mundo, dedicados al estudio de nuevas partículas elementales, permite seguir el camino dejado por estas en las colisiones y deducir así las propiedades que las caracterizan. Como los quarks no pueden ser aislados, su existencia solo puede ser deducida a partir de trazas de partículas formadas por tres quarks (Bariones) o por una par de quarks-antiquark (mesones).
Significado de quark
La palabra fue originalmente designada por Murray Gell-Mann como una palabra sin sentido que rimaba con pork,[8] pero sin ortografía.[9] Después, él encontró la palabra «quark» en un libro de James Joyce titulado Finnegans Wake y de ahí se usó su ortografía:
Three quarks for Muster Mark! Sure he has not got much of a bark And sure any he has it's all beside the mark.
Del libro Finnegans Wake de James Joyce
Gell-Mann dijo sobre esto que:
En 1963, cuando asigné el nombre de quark a los constituyentes fundamentales de los nucleones, yo tenía el primer sonido, sin ortografía, que podría haber sido kwork. Luego, en uno de sus ocasionales lecturas de Finnegans Wake, por James Joyce, me crucé con la palabra quark en la frase Three quarks for Muster Mark. Entonces quark (que significa, por un lado, el grito de la gaviota) fue el claro intento de rimar con Mark, como con bark y otras palabras parecidas. Yo tuve que encontrar una excusa para pronunciarla así como kwork.
Pero el libro representa el sueño de un publicano llamado Humphrey Chimpden Earwicker. Las palabras en el texto suelen proceder de variasfuentes a la vez, como la palabra portmanteau en Through the Looking Glass.De vez en cuando, las frases que aparecen en el libro son determinadas para denominar a las bebidas en un bar. Yo argumenté, por lo tanto, que uno de los múltiples recursos de la frase Three quarks for Muster Mark podría ser Three quarts for Mister Mark,en ese caso la pronunciación de "kwork" podría justificarse totalmente. En cualquier caso, el número tres encaja perfectamente en el caminocomo el quark apareció en la naturaleza.
La frase tres quarks (three quarks en inglés) encajaba particularmente bien (como se menciona en la cita) ya que en ese tiempo sólo había tres quarks conocidos y entonces los quarks estaban en grupos de tres en los bariones.
En el libro de Joyce, se da a las aves marinas tres quarks, quark toma un significado como el grito de las gaviotas (probablemente onomatopeya, como cuac (o cuá) para los patos). La palabra es también un juego de palabras en entre Munster y su capital provincial Cork.
Descubrimiento experimental
La noción de quark teórica nace del intento de clasificar a los hadrones, ahora explicados gracias al modelo de quarks. Murray Gell Mann y Kazuhiko Nishijima realizaron esa clasificación de manera independiente en 1964. A mediados de la década de 1960 había un cierto consenso en que el protón poseía un tamaño aproximado de 10–15 m con una distribución suave de carga en su interior. Los análisis de ciertas propiedades de reacciones de altas energías de hadrones llevó a Richard Feynman a postular subestructuras de hadrones, a los que él llamo partones (porque eran parte de los hadrones).
La serie de experimentos en el SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) entre 1967 y 1973 tenían como objetivo estudiar la dispersión electrón-protón y ver la distribución de carga en el protón. Estos experimentos eran muy parecidos a los realizados por Rutherford años atrás para confirmar la existencia del núcleo atómico. El SLAC es un acelerador de partículas lineal donde partículas como los electrones pueden alcanzar energías de hasta 50 GeV, lo suficiente para que estos puedan traspasar nucleones.
El análisis teórico de las colisiones inelásticas que tuvieran lugar entre el electrón y el protón lo había trabajado James Bjorken. Este consideró varias hipótesis para explicar la función de forma de la dispersión. De todas ellas, la más especulativa era considerar al protón compuesto por partículas puntuales cargadas y con espín 1 / 2. Al analizar los datos para diferentes cantidades de momento transferidos al protón, se comprobó que el ajuste de Bjorken con tal hipótesis era el adecuado. Se habían descubierto los quarks de manera experimental lo que permitió obtener el premio Nobel de Física de 1990 a Taylor Kendall y Alexader Friedmann, líderes de los experimentos en el SLAC.
Más adelante, otros experimentos de colisiones inelásticas con neutrinos hechas en el CERN sirvieron para confirmar los resultados del SLAC. Se confirmó que los partones de Feynmann y los quarks eran exactamente la misma cosa. Con la prueba de la libertad asintótica en la cromodinámica cuántica que realizaron en 1973 David Gross, Frank Wilczek y David Politzer, la conexión se hizo estable. A estos científicos se les concedió el premio Nobel de Física en el 2004 por este trabajo. Kendall dijo sobre el hallazgo: ...el descubrimiento específico fue un descubrimiento. No sabíamos si estaría ahí, y tampoco nadie en este mundo - ni la gente que inventó el quark ni toda la comunidad teórica. Nadie podía decir especifica y unívocamente: hey amigos vayan por el quark. Esperamos que esté en los nucleones.
Subestructura
Nuevas extensiones del modelo estándar de física de partículas indican que los quarks podrían estar compuestos de subestructuras. Esto asume que las partículas elementales del modelo estándar de física de partículas son partículas compuestas; estas hipótesis están siendo evaluadas,aunque actualmente no se ha descubierto tal estructura. Las llamadas subestructuras de los quarks se denominan preones.
Antiquark
El antiquark es la antipartícula que corresponde a un quark. El número de tipos de quarks y antiquarks en la materia es el mismo. Se representan con los mismos símbolos que aquellos, pero con una barra encima de la letra correspondiente, por ejemplo, si un quark se representa , un antiquark se escribe .
Véase también
Física de partículas
Mecánica Cuántica
Fuentes
- www.rincondelvago.com
- [Física Medica y Biologica .A Remizov]
