Modelo estándar de partículas para principiantes
"Nos preguntamos por qué un grupo de personas talentosas y dedicadas está listo para dedicar sus vidas a perseguir objetos tan pequeños que ni siquiera se pueden ver. De hecho, en los estudios de físicos de partículas, existe una curiosidad humana y un deseo de descubrir cómo es el mundo en el que vivimos "Sean Carroll.
Si todavía temes la frase mecánica cuántica y aún no sabes qué es un modelo estándar, bienvenido a gato. En mi publicación, intentaré explicar los conceptos básicos del mundo cuántico, así como la física de partículas elementales, de la manera más simple y clara posible. Intentaremos descubrir cuáles son las principales diferencias entre fermiones y bosones, por qué los quarks tienen nombres tan extraños y, finalmente, por qué todos querían encontrar el bosón de Higgs.¿De qué estamos hechos?
Bueno, entonces, comenzamos nuestro viaje al micromundo con una simple pregunta: ¿en qué consisten los objetos que nos rodean? Nuestro mundo, como casa, consta de muchos ladrillos pequeños, que de manera especial, al conectarse, crean algo nuevo, no solo en apariencia, sino también en sus propiedades. De hecho, si los observa detenidamente, encontrará que no hay tantos tipos diferentes de bloques, solo que cada vez que se conectan entre sí de diferentes maneras, formando nuevas formas y fenómenos. Cada bloque es una partícula elemental indivisible, que se discutirá en mi historia.Por ejemplo, tome alguna sustancia, deje que sea el segundo elemento de la tabla periódica, gas inerte, helio. Al igual que otras sustancias en el universo, el helio consiste en moléculas, que a su vez están formadas por enlaces entre átomos. Pero en este caso, para nosotros, el helio es un poco especial, porque consta de un solo átomo.
¿En qué consiste un átomo?
El átomo de helio, a su vez, consta de dos neutrones y dos protones que forman el núcleo atómico, alrededor del cual giran dos electrones. Lo más interesante es que solo el electrón es absolutamente indivisible aquí .Un momento interesante en el mundo cuántico.
La más pequeña es la masa de una partícula elemental, el más espacio que ocupa. Es por esta razón que los electrones, que son 2000 veces más ligeros que un protón, ocupan mucho más espacio en comparación con el núcleo de un átomo.
Los neutrones y protones pertenecen al grupo de los llamados hadrones (partículas sujetas a una fuerte interacción) o, para ser más precisos, bariones .Los hadrones se pueden dividir en grupos.
- Bariones, que consisten en tres quarks
- Mesones que consisten en un par: partícula antipartícula
El neutrón, como su nombre lo indica, tiene carga neutra y puede dividirse en dos quarks inferiores y un quark superior. Un protón, una partícula cargada positivamente, se divide en un quark inferior y dos quarks superiores.
Sí, sí, no estoy bromeando, realmente se llaman superior e inferior. Parecería que si descubrimos los quarks superiores e inferiores, e incluso el electrón, entonces podemos usarlos para describir todo el Universo. Pero esta declaración estaría muy lejos de la verdad.El principal problema es que las partículas deben de alguna manera interactuar entre sí. Si el mundo consistiera solo en esta trinidad (neutrones, protones y electrones), entonces las partículas simplemente volarían a través de las vastas extensiones del espacio y nunca se reunirían en formaciones más grandes, como los hadrones.Fermiones y Bosones
Hace mucho tiempo, a los científicos se les ocurrió una forma conveniente y concisa de representar partículas elementales, llamada modelo estándar. Resulta que todas las partículas elementales se dividen en fermiones , de los cuales se compone toda la materia, y bosones que transfieren varios tipos de interacciones entre fermiones.La diferencia entre estos grupos es muy clara. El hecho es que los fermiones necesitan algo de espacio para sobrevivir de acuerdo con las leyes del mundo cuántico, y para los bosones casi no hay necesidad de espacio libre.Fermiones
Un grupo de fermiones, como ya se mencionó, crea materia visible a nuestro alrededor. Todo lo que vemos, creado por fermiones. Los fermiones se dividen en quarks , que interactúan fuertemente entre sí y se encerran dentro de partículas más complejas como hadrones y leptones , que existen libremente en el espacio independientemente de sus contrapartes.Los Quarks se dividen en dos grupos.- Tipo superior Los quarks del tipo superior, con una carga de +2 \ 3, incluyen: quarks superiores, encantados y verdaderos
- Tipo inferior Los quarks del tipo inferior, con una carga de -1 \ 3, incluyen: quarks inferiores, extraños y encantadores.
Verdaderos y encantadores son los quarks más grandes, y los superiores e inferiores son los más pequeños. Por qué los quarks recibieron nombres tan inusuales y, más correctamente, "aromas", sigue siendo motivo de controversia para los científicos.Los leptones también se dividen en dos grupos.- El primer grupo, con una carga de "-1", incluye: un electrón, un muón (una partícula más pesada) y una partícula tau (la más masiva)
- El segundo grupo, con una carga neutra, contiene: neutrino electrónico, neutrino muón y neutrino tau
Neutrino: es una pequeña partícula de materia, que es casi imposible de detectar. Su carga es siempre 0.Se plantea la cuestión de si los físicos encontrarán unas pocas generaciones más de partículas que serán aún más masivas en comparación con las anteriores. Es difícil responderlo, pero los teóricos creen que las generaciones de leptones y quarks están agotadas por tres.¿No encuentras ningún parecido? ¿Están los quarks y los leptones divididos en dos grupos que se diferencian entre sí por un cargo por unidad? Pero más sobre eso más tarde ...Bosones
Sin ellos, los fermiones volarían en una corriente continua a través del universo. Pero intercambiando bosones, los fermiones se cuentan entre sí algún tipo de interacción. Los bosones mismos prácticamente no interactúan entre sí.De hecho, algunos bosones aún interactúan entre sí, pero esto se discutirá con más detalle en los siguientes artículos sobre problemas del micromundo. Lainteracción transmitida por los bosones ocurre:- Electromagnética , las partículas son fotones. Con la ayuda de estas partículas sin masa, se transmite la luz.
- Fuerte nuclear , las partículas son gluones. Con su ayuda, los quarks del núcleo de un átomo no se descomponen en partículas individuales.
- Partículas nucleares débiles : bosones ± W y Z. Con su ayuda, los fermiones se propagan por masa, energía y pueden convertirse entre sí.
- Gravitacional , las partículas son gravitones . Poder micromundo extremadamente débil. Se vuelve visible solo en cuerpos supermasivos.
Reserva de interacción gravitacional.
La existencia de gravitones aún no se ha confirmado experimentalmente. Existen solo en forma de una versión teórica. En el modelo estándar, en la mayoría de los casos no se consideran.
Eso es todo, el modelo estándar está ensamblado.
Los problemas acaban de comenzar
A pesar de la muy bella representación de las partículas en el diagrama, dos preguntas siguen. ¿De dónde obtienen su masa las partículas y cuál es el bosón de Higgs que se destaca del resto de los bosones?Para comprender la idea de usar el bosón de Higgs, debemos recurrir a la teoría del campo cuántico. En términos simples, se puede argumentar que todo el mundo, todo el Universo, no consiste en las partículas más pequeñas, sino en muchos campos diferentes: gluón, quark, electrónico, electromagnético, etc. En todos estos campos, ocurren fluctuaciones leves constantemente. Pero percibimos al más poderoso de ellos como partículas elementales. Y esta tesis es muy controvertida. Desde el punto de vista de la dualidad onda-partícula, el mismo objeto del micromundo en diferentes situaciones se comporta como una onda o como una partícula elemental, solo depende de cómo sea más conveniente para el físico observar el proceso para modelar la situación.Campo de Higgs
Resulta que hay un llamado campo de Higgs, cuyo valor promedio no quiere tender a cero. Como resultado, este campo está tratando de tomar un valor constante distinto de cero en todo el Universo. El campo es un fondo omnipresente y constante, como resultado de fuertes fluctuaciones de las cuales aparece el bosón de Higgs.Y es gracias al campo de Higgs que las partículas están dotadas de masa.La masa de una partícula elemental depende de cuánto interactúa con el campo de Higgs , volando constantemente dentro de él.Y es precisamente por el Bosón de Higgs, o más bien por su campo, que el modelo estándar tiene tantos grupos similares de partículas. El campo de Higgs obligó a producir muchas partículas adicionales, como, por ejemplo, neutrinos.Resumen
Lo que le dije son los conceptos más superficiales sobre la naturaleza del modelo estándar y por qué necesitamos el bosón de Higgs. Algunos científicos aún esperan que una partícula encontrada en 2012 y similar al bosón de Higgs en el LHC sea simplemente un error estadístico. Después de todo, el campo de Higgs viola muchas simetrías hermosas de la naturaleza, lo que hace que los cálculos de los físicos sean más confusos.Algunos incluso creen que el modelo estándar está viviendo sus últimos años debido a su imperfección. Pero esto no se ha probado experimentalmente, y el modelo estándar de partículas elementales sigue siendo el modelo actual del genio del pensamiento humano.Source: https://habr.com/ru/post/es382753/
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