Alejandro Soriano

Antonio Gámez

Ciencias para el Mundo Contemporáneo

1º Bachillerato

El modelo estándar una teoría que describe las relaciones interacciones fundamentales conocidas entre partículas elementales que componen toda la materia. Se desarrolló entre 1970 y 1973 . El modelo estándar no alcanza a ser una teoría completa ya que no incluye la gravedad, la cuarta interacción fundamental conocida, y debido también al número elevado de parámetros numéricos que se deben poner a mano en la teoría.

Hay tres tipos de partículas:

•Partículas de materia• Las partículas mediadoras de las fuerzas•El bosón de Higgs (partícula hipotética)

•Son los componentes más fundamentales de la materia.•Hay dos tipos de partículas elementales:

•Quarks: Hay seis tipos de quarks con sus respectivos antiquarks:

•Up, Down; Strange, Charm; Top, Bottom.•Up--, Down--; Strange--, Charm--; Top--, Bottom--.

•Leptones: Hay seis tipos de leptones con sus respectivos antileptones:

•Electrón, electrón-neutrino; Muón, Muón-neutrino; Tau, Tau-neutrino.•Positrón, electrón-antineutrino; antimuón, Muón-antineutrino; antitau, Tau-antineutrino.

•Los quarks son los constituyentes fundamentales de la materia y las partículas más pequeñas que se han logrado identificar. Forman, junto a los leptones, la materia visible.

•Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas tales como protones y neutrones.•Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales. •Son partículas de espín 1/2 (por lo que son fermiones) •Sus cargas eléctricas son de +2/3 eV y -1/3 eV.•Tienen Carga de Sabor y Color.•Según nuevas hipótesis, los quarks podrían estar compuestos de subestructuras. Esto significa que las partículas elementales son, en realidad, partículas compuestas; aún no se ha descubierto tal estructura. Las llamadas subestructuras de los quarks se denominan preones.

•Los leptones son los constituyentes fundamentales de la materia y las partículas más pequeñas que se han logrado identificar. Forman, junto a los quarks, la materia visible.

•Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas tales como protones y neutrones.•Los leptones no interactúan con la interacción nuclear fuerte. •Son partículas de espín 1/2 (por lo que son fermiones) •Sus cargas eléctricas son de +1 eV y -1 eV (y 0 eV para los neutrinos)•Tienen Carga de Sabor.•Los sabores conocidos son: el electrón, el muón y el leptón tau. •Cada sabor está representado por un par de partículas llamadas doblete débil. Uno es una partícula cargada masiva que lleva el mismo nombre que su sabor (como el electrón). La otra es una partícula neutra casi sin masa llamada neutrino (como el electrón-neutrino).

•Los fermiones son las partículas que tienen un momento angular intrínseco que, medido en unidades de (spin),es igual a un número impar de semienteros (1/2, 3/2, ...).

•Como consecuencia de este momento angular semientero, los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli.

•Las partículas materiales fundamentales (quarks y leptones, así como también la mayoría de las partículas compuestas, tales como protones y neutrones) son fermiones.

•Por lo tanto, debido al principio de exclusión de Pauli, estas partículas no pueden coexistir en una misma posición.

•Los bariones siempre contienen tres quarks y pueden también contener algunos gluones y pares quark-antiquark. Un protón = uud y un neutrón = udd. •Cada quark dentro de un barión intercambia rápidamente cargas de color con los otros quarks en ese barión. Sin embargo, el barión (al igual que todos los hadrones) no tiene carga neta de color porque las diferentes cargas de color se cancelan entre sí. •Los valores posibles del spin de los bariones son 1/2, 3/2, ..., es decir son fermiones. •Por cada barión existe un barión de antimateria (antibarión) constituido por los 3 antiquarks correspondientes. •Algunos ejemplos son:

•Los bariones delta están compuestos por quarks arriba y abajo, de tal manera que el spin total es 3/2. •Los bariones lambda están compuestos por un quark arriba, uno abajo y un quark extraño.•Los bariones xi están compuestos de dos quarks extraños y un quark arriba o abajo. •El barión omega negativo está compuesto de tres quarks extraños.

•Un bosón es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales de la naturaleza. Se caracterizan por:

•Tener un momento angular intrínseco o spín entero (0,1,2,...).•No cumplen el principio de exclusión de Pauli y siguen la estadística de Bose-Einstein, esto hace que presenten un fenómeno llamado condensación de Bose-Einstein*•La funciones de onda** cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas.

*El condensado de Bose-Einstein es el estado de agregación de la materia que se da en ciertos materiales a muy bajas temperaturas. La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. **Una función de onda (Ψ), es una forma de describir el estado físico de un sistema de partículas. Usualmente es una función compleja y de cuadrado integrable de las coordenadas espaciales de cada una de las partículas.

•Un mesón es un bosón que responde a la interacción fuerte, esto es, un hadrón con un spín entero.

•Hay dos tipos de mesones según su carga de sabor: Con carga y sin carga

Pión cargado Pión neutroKaón cargado Kaón neutroKaón corto Kaón largoEta Eta primaRho cargado Rho neutroOmega neutra PhiD cargado D neutroD extraño B cargadoB neutro B extrañoB encantado UpsilonJ/Psi

También, otros tipos de bosones son:

•El núcleo de deuterio.

•Átomos de helio-4 o partículas alfa

•Fotones

•Fonones

•Bosones W y Z

•Gluones

•Bosón X

•Bosón de Higgs (hipotético)

•Las interacciones fundamentales se denominan a las cuatro interacciones fundamentales existentes en nuestro universo. Según el modelo estándar, las partículas que interaccionan con las partículas materiales, fermiones, son los bosones.

•Existen cuatro tipos de interacciones fundamentales:

• Interacción nuclear fuerte• Interacción nuclear débil• Interacción electromagnética • Interacción gravitatoria.

•La interacción nuclear fuerte es una de las cuatro "fuerzas" o interacciones fundamentales que el modelo estándar de la física establece para explicar las interacciones entre las partículas conocidas.•Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protón y neutrón) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.•Los efectos de esta fuerza de interacción sólo se aprecian a distancias muy pequeñas (menores a 1 fm), del tamaño de los núcleos atómicos y no se perciben a distancias mayores a 1 fm. A esta característica se le conoce como ser de corto alcance, en contraposición con la fuerza gravitatoria o la fuerza electromagnética que son de largo alcance (realmente el alcance de estas dos es infinito).•A pesar de que los hadrones tienen carga de color neutra, los quarks de distintos hadrones pueden atraerse con mucha fuerza, en el caso de los nucleones incluso mayor que la electromagnética. A esta fuerza de naturaleza fuerte entre distintos hadrones se le llama residual, y es la responsable de que el núcleo atómico sea estable a pesar de la gran cantidad de cargas positivas que posee.

•La mayoría de núcleos atómicos por debajo de un cierto peso atómico y que además presentan un equilibrio entre el número de neutrones y el número de protones (número atómico) son estables. Sin embargo, sabemos que los neutrones aislados y los núcleos con demasiados neutrones (o demasiados protones) son inestables.La explicación de esta estabilidad de los núcleos reside en los piones. Esto hace que continuamente los neutrones del núcleo se transformen en protones, y algunos protones en neutrones.

•Esto hace que la reacción apenas tenga tiempo de acontecer, lo que explica que los neutrones de los núcleos atómicos sean mucho más estables que los neutrones aislados. Si el número de protones y neutrones es desequilibrado, se abre la posibilidad de que en cada momento haya más neutrones y sea más fácil la ocurrencia de la reacción

•El gluón es el bosón portador de la interacción nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales.

•También puede decirse que los gluones son combinaciones de un par color/anticolor: por ejemplo, rojo/antiverde, y eso constituye su carga de color.

•No posee masa ni carga eléctrica, pero sí carga de color, por lo que además de transmitir la interacción fuerte también la sufre. Los gluones transportan pares color/anticolor (no es necesario que sea el mismo color; por ejemplo gluones rojo/antiazul son legítimos).

•Si bien hay 9 combinaciones posibles de pares color/anticolor, debido a consideraciones de simetría es eliminada una de estas combinaciones. Un gluón puede transportar efectivamente una de las ocho posibles combinaciones color/anticolor.

La interacción débil, frecuentemente llamada fuerza débil o fuerza nuclear débil, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En el modelo estándar de la física de partículas, ésta se debe al intercambio de los bosones W y Z, que son muy masivos. El efecto más familiar es el decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. La palabra "débil" deriva del hecho que un campo de fuerzas es de 1013 veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.

Los bosones W y Z son las partículas mediadoras de la interacción nuclear débil, una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Son tres tipos de partículas fundamentales muy masivas que se encargan en general de cambiar el sabor de otras partículas, los leptones y los quarks.

•Cuando un leptón o un quark parece convertirse en uno más ligero (se desintegra o decae), se dice que cambian de sabor. Todos los procesos de cambio de sabor se deben a la interacción débil, y en todas ellas interviene uno de los tres tipos de bosones intermedios.•Un neutrón no es una partícula elemental, sino que está hecho de 2 quarks abajo y un quark arriba (y además de gluones), y se convierte en protón porque uno de los quarks abajo cambia su sabor a arriba.•Pero el quark abajo no es el que emite el electrón y el neutrino. De hecho, el quark abajo solo se convierte en el quark arriba y en un bosón W negativo (para conservar la carga eléctrica del sistema). Es el bosón W el que casi instantáneamente después decae en los dos leptones.•El bosón Z debería intervenir en los procesos que no implican cambio en la carga eléctrica de la partícula afectada (pero sí cambio de sabor), pero no es el caso. Éste bosón solo actúa como portador de momento lineal: cuando dos partículas se intercambian un bosón Z una le está pasando momento a la otra. •Éste intercambio se llama interacción de corriente neutra, ninguna de las partículas afectadas cambia de sabor y su estudio requiere el uso de los aceleradores de partículas más energéticos del mundo.

La desintegración beta, emisión beta o decaimiento beta es un proceso mediante el cual un nucleído inestable emite una partícula beta para optimizar la relación N/Z (neutrones/protones) del núcleo. La partícula beta puede ser un electrón, escribiéndose β-, o un positrón, β+. En la emisión beta, varían el número de protones y el de neutrones del núcleo resultante, mientras que la suma de ambos (el número másico) permanece constante.

Desintegración β-

Un neutrón da lugar a un protón, un electrón y un antineutrino electrónico:Este proceso ocurre espontáneamente para neutrones libres, con un tiempo de vida media de 614,6 s.

Desintegración β+

Un protón da lugar a un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico:Esta reacción está prohibida para protones

•El sabor es un número cuántico de las partículas elementales relacionado con su interacción débil. En el modelo electrodébil, esta simetría es figurada y los procesos de cambio de sabor existen. En cromodinámica cuántica, por otro lado, el sabor es una simetría global.•Si se tienen dos o más partículas, que tengan interacciones idénticas, se pueden intercambiar sin afectar sus propiedades físicas. Cualquier combinación lineal (compleja) de estas dos partículas poseen las mismas propiedades físicas, mientras se mantenga la ortogonalidad o perpendicularidad entre ellas. En otras palabras, la teoría posee transformaciones de simetría tales como donde u y d son dos campos y M es cualquier matriz unitaria 2X2 con un determinante unitario.•Ésta simetría es global para las interacciones fuertes y figurada (gauged) para las interacciones débiles.•El termino "sabor" fue acuñado para su uso en el modelo de quarks de los hadrones en 1968. Este nombre para el conjunto de números cuánticos que relacionan isospín, hipercarga y extrañez se dice que se encontró camino a un almuerzo por Murray Gell-Mann y Harald Fritzsch cuando pasaban por una tienda de helados de Baskin Robbins y vieron un anuncio de sus 31 sabores.

•El tratamiento que la física cuántica hace del electromagnetismo se conoce con el nombre de electrodinámica cuántica o QED. En esta teoría el campo está asociado a una partícula sin masa denominada fotón, cuyas interacciones con las partículas cargadas son las causantes de todos los fenómenos del electromagnetismo.•El electromagnetismo se debe a un tipo de bosón llamados fotón.La electrodinámica cuántica es una descripción detallada de la interacción entre fotones y partículas cargadas de tipo fermiónico. la luz viaja sobre todos los caminos permitidos, y su interferencia determina los frentes de onda que se propagan de acuerdo con el principio de Fermat*.•El observador detecta simplemente el resultado matemático de la superposición de todas las ondas consideradas a lo largo de integrales de línea. Una diferencia es que en la electrodinámica la velocidad efectiva de un fotón puede superar la velocidad de la luz en promedio.*El trayecto seguido por la luz al propagarse de un punto a otro es tal que el tiempo empleado en recorrerlo es estacionario respecto a posibles variaciones de la trayectoriaEsto quiere decir que, si se expresa el tiempo "t" en función de un parámetro "s" (el espacio recorrido), el trayecto recorrido por la luz será aquel en que dt/ds= 0, es decir, t será un mínimo, un máximo o un punto de inflexión de la curva que representa t en función de s. La característica importante, como dice el enunciado, es que los trayectos próximos al verdadero requieren tiempos aproximadamente iguales (esto es forzosamente cierto si t(s) es una función continua y dt/ds= 0).

•El fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. •Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio. •El fotón tiene una masa invariante cero, y viaja en el vacío con una velocidad constante c.• Como todos los cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("dualidad onda-corpúsculo"). Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción que tiene lugar en una lente, o en la cancelación por interferencia destructiva de ondas reflejadas; sin embargo, se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía, que viene dada:

•Además de energía, los fotones llevan también asociada una cantidad de movimiento o momento lineal, y tienen una polarización.

•El fotón no tiene masa, tampoco posee carga eléctrica y no se desintegra espontáneamente en el vacío. El fotón tiene dos estados posibles de polarización que pueden describirse mediante tres parámetros continuos: las componentes de su vector de onda, que determinan su longitud de onda y su dirección de propagación. El fotón es el bosón de gauge de la interacción electromagnética, y por tanto todos los otros números cuánticos —como el número leptónico, el número bariónico, o la extrañeza— son exactamente cero•Los fotones se emiten en muchos procesos naturales, por ejemplo, cuando se acelera una partícula con carga eléctrica, durante una transición molecular, atómica o nuclear a un nivel de energía más bajo, o cuando se aniquila una partícula con su antipartícula.•Los fotones se absorben en los procesos de reversión temporal que se corresponden con los ya mencionados: por ejemplo, en la producción de pares partícula-antipartícula o en las transiciones moleculares, atómicas o nucleares a un nivel de energía más alto.•En el espacio vacío, los fotones se mueven a la velocidad de la luz c, y su energía E y momento lineal p están relacionados mediante la expresión E = cp, donde p es el módulo del momento lineal.•Un fotón real puede interactuar como una partícula puntual, o como una colección de quarks y gluones, esto es, como un hadrón.

•La gravedad, denominada también fuerza gravitatoria, fuerza de gravedad, interacción gravitatoria o gravitación, es la fuerza teórica de atracción que experimentan entre sí los objetos con masa.

•La interacción gravitatoria es una de las cuatro. A diferencia de las fuerzas nucleares y a semejanza del electromagnetismo, actúa a grandes distancias. Sin embargo, al contrario que el electromagnetismo, la gravedad es una fuerza de tipo atractiva aunque existen casos particulares en que las geodésicas temporales pueden expandirse en ciertas regiones del espacio-tiempo, lo cual hace aparecer a la gravedad como una fuerza repulsiva, por ejemplo la energía oscura. Este es el motivo de que la gravedad sea la fuerza más importante a la hora de explicar los movimientos celestes.

Es una partícula elemental hipotética de tipo bosónico que sería la transmisora de la interacción gravitatoria en la mayoría de los modelos de gravedad cuántica. De acuerdo con las propiedades del campo gravitatorio, el gravitón debe ser un bosón de espín par (2 en este caso), ya que está asociado a un campo clásico tensorial de segundo orden. En cuanto a la masa del gravitón las mediciones experimentales dan una cota superior del orden de m= 1,6 x10-66 g, aunque podría ser exactamente cero.

La detección del gravitón experimental es una tarea bastante problemática. Estas partículas portarían muy poca energía, por lo tanto la detección sería muy difícil por los débiles efectos que ocasionarían. La única forma de detectarlos sería buscar los casos en que el movimiento o la energía de un cuerpo cambiase en una forma que es distinta de la prevista por la Teoría General de la Relatividad, pero uno de los principios básicos de la gravedad cuántica sería que deberían más o menos coincidir con estas predicciones relativistas.

•El bosón de Higgs es una partícula elemental hipotética masiva cuya existencia es predicha por el modelo estándar de la física de partículas. Es la única partícula del modelo estándar que no ha sido observada hasta el momento, pero desempeña un rol importante en la explicación del origen de la masa de otras partículas elementales, en particular la diferencia entre el fotón (sin masa) y los bosones W y Z (relativamente pesados). •Las partículas elementales con masa y la diferencia entre la interacción electromagnética (causada por los fotones) y la fuerza débil (causada por los bosones W y Z) son críticos en muchos aspectos de la estructura microscópica (y así macroscópica) de la materia. •Con esto, si la partícula existe, el bosón de Higgs tendría un enorme efecto en la física y el mundo de hoy.

•El Gran Colisionador de Hadrones (en inglés Large Hadron Collider o LHC, siglas por las que es generalmente conocido) es un acelerador de partículas (o acelerador y colisionador de partículas) ubicado en la actualmente denominada Organización Europea para la Investigación Nuclear (la sigla es la del antiguo nombre en francés de tal institución: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. El LHC se diseñó para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones de 7 TeV de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar, el cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas, del que se conoce su ruptura a niveles de energía altos.•Los protones son acelerados a velocidades del 99% de la velocidad de la luz (c) y chocan entre sí en direcciones diametralmente opuestas produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos durante o inmediatamente después del big bang. El LHC se convertirá en el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción. Hoy en día el colisionador se encuentra enfriándose hasta que alcance su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K (2 grados por encima del cero absoluto o −271,25 °C).

•La energía oscura es una forma hipotética de materia que estaría presente en todo el espacio, produciendo una presión negativa y que tiende a incrementar la aceleración de la expansión del Universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Asumir la existencia de la energía oscura es la manera más popular de explicar las observaciones recientes en las que el Universo parece estar expandiéndose con una tasa de aceleración positiva. En el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura actualmente aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo.

•Se denomina materia oscura a la materia hipotética de composición desconocida que no emite o refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada directamente con los medios técnicos actuales pero cuya existencia puede inferirse a partir de los efectos gravitacionales que causa en la materia visible, tales como las estrellas o las galaxias, así como en las anisotropías del fondo cósmico de microondas.