En los últimos 115 años, los físicos han descubierto que casi todo el material, incluidas las piedras, la lluvia, el sol y la luz solar, las olas oceánicas y las ondas de radio, se pueden describir en términos de partículas (y sus campos correspondientes). Los experimentos han descubierto una variedad de tipos de partículas que hoy nos parecen elementales (es decir, no consisten en partículas más elementales). Toda la compleja diversidad de nuestro mundo familiar consiste en un pequeño conjunto de tales partículas. Las partículas restantes son fugaces, se descomponen tan rápido que en condiciones normales no las encontramos. Pero pueden guardar las claves de los secretos del universo que permanecen inaccesibles para nosotros.
En este artículo, encontrará una pequeña descripción general de la comprensión actual de las partículas y su organización en clases. Algo así como una tabla periódica de partículas con un par de trucos. Además, aprenderá lo que el campo de Higgs y su papel fundamental en la vida del universo hacen a las partículas.
Nuestra comprensión actual, junto con las hipótesis más simples sobre el funcionamiento de la partícula y el campo de Higgs, se reduce a un conjunto de ecuaciones llamadas "Modelo estándar de física de partículas", o simplemente el "Modelo estándar". Las partículas elementales en el modelo estándar históricamente tienen nombres muy extraños, así como una gran dispersión de masa. En la fig. 1:
• Dibujé partículas más pesadas en la parte superior y ligeras en la parte inferior. Según mi lógica, las partículas sin masa son el nivel mínimo, y no hay un límite superior para la masa de partículas. Es decir, hay un piso duro debajo y solo cielo arriba.
• En lugar de masas, cito energías de masa equivalentes (E = mc
2 ), que comúnmente usan los físicos de partículas. Hacer un seguimiento de la energía que no desaparece y no aparece es más fácil que rastrear la masa de partículas que pueden cambiar en ciertos procesos, por ejemplo,
durante la descomposición . La unidad GeV es aproximadamente igual a la energía de masa del átomo más ligero, el hidrógeno.
• He identificado tres clases de partículas: leptones cargados (discos azules), neutrinos (discos negros) y quarks (discos rojos). Los Quarks generalmente se dividen en dos clases, superior e inferior, que difieren solo en carga eléctrica. La importancia de tal clasificación se aclarará más adelante.
• En los rectángulos, indiqué tres interacciones junto con sus partículas transportadoras. Excluí la cuarta interacción, la gravedad, para no obstruir la imagen.
• El campo de Higgs (o algo que juega su papel) en la naturaleza es, en promedio, distinto de cero. Lo designé a través de un fondo verde.
Fig. 1
¿Qué tipo de partículas son estas? Todos tienen antipartículas, pero por brevedad los omito. Repasemos rápidamente la estructura de la materia, desarmándola hasta alcanzar el nivel deseado.
• Los átomos, cuyo radio es aproximadamente mil millones de veces más pequeño que su cabeza, están compuestos por sus electrones y núcleos atómicos.
• Los átomos absorben y emiten partículas de luz, fotones. Esto sucede debido a la interacción electromagnética que lleva el fotón (es decir, cuando el electromagnetismo funciona, los fotones siempre están presentes).
• Los núcleos atómicos están formados por protones y neutrones, 100.000 más pequeños que el átomo en sí, y que consisten principalmente en quarks superiores e inferiores (y antiquarks) y gluones.
• Los protones y los neutrones no se desmoronan, y también se retienen dentro del núcleo debido a la fuerte interacción que llevan 8 tipos de gluones.
• El sol está brillando y algunos núcleos atómicos se descomponen debido a la conversión de quarks de un tipo a quarks de otro tipo. En este caso, se emiten electrones y neutrinos, estas partículas provienen directamente del centro del sol.
• Esta transformación de los quarks y la emisión de neutrinos se debe a la débil interacción de las partículas W
+ , W
- y Z
0 .
• La última interacción conocida es la gravedad, que se supone que lleva un gravitón. Debido a la sorprendente debilidad de la gravedad, esta partícula es muy difícil de detectar.
Casi todos los aspectos de nuestro mundo están determinados por estas partículas. Pero hay otros. El electrón, el neutrino-1, el quark superior y el quark inferior se denominan una "generación" de partículas; en este caso, la generación significa casi lo mismo que la de un árbol genealógico. Hay dos generaciones más pesadas, cada una de las cuales tiene copias ponderadas de estas cuatro partículas.
• La segunda generación consiste en un muón, neutrino-2, un quark encantado y un quark extraño.
• La tercera generación consiste en tau, neutrino-3, t-quark y b-quark.
La estructura de las generaciones divide estas partículas en capas horizontales. También se pueden dividir verticalmente en las clases que mencioné: las personas a menudo hablan de "partículas del tipo electrónico" o "leptones cargados", refiriéndose al electrón, muón y tau, hablan de "neutrinos" en general y dividen los quarks en "superiores". (superior, encantado, t) y "inferior" (inferior, extraño, b).
Quizás se pregunte por qué los neutrinos tienen nombres tan aburridos en comparación con otras partículas. Los llamamos de manera diferente, pero en los últimos 20 años hemos aprendido mucho sobre ellos y aún seguimos aprendiendo. Tal vez cuando el polvo se asiente, les daremos nuevos nombres.
Sabemos poco sobre la partícula de Higgs, pero en el futuro cercano aprenderemos más.
Echemos un vistazo a las diferentes masas. No solo tienen una gran difusión, sino que tampoco tienen un sistema explícito. Aquí hay algunas notas sobre masas, comenzando con las partículas más ligeras:
• El fotón y el gravitón probablemente no tienen masa: su masa debe ser sorprendentemente pequeña para que haya campos magnéticos intergalácticos observables y enormes estructuras del Universo.
• Los gluones no tienen masa, por lo que tiene sentido: pasan su vida en cautiverio dentro de hadrones como los protones, y medir su masa directamente no es fácil.
• Los teóricos han discutido durante mucho tiempo sobre la presencia de masa de neutrinos. Los experimentos de la última década han resuelto esta disputa (aunque debido a que la evidencia obtenida es indirecta, todavía hay margen de maniobra). Las masas de neutrinos son muy pequeñas, la más pesada de ellas es al menos mil millones de veces más ligera que el átomo más ligero (hidrógeno), y la masa de la más ligera es aún más pequeña.
• Se conocen masas de otras partículas. Un electrón es aproximadamente 1800 veces más ligero que el hidrógeno, un t-quark es aproximadamente 400,000 veces más pesado que un electrón, y solo un pequeño porcentaje más ligero que un átomo de oro. La masa de las partículas W y Z es aproximadamente la mitad de la masa del t-quark.
• Todas las partículas con masa significativa lo tienen debido a la interacción con el campo de Higgs. Los neutrinos pueden recibir masa no directamente, pero el campo de Higgs también juega un papel importante para ellos. Noté este hecho a través de los marcos verdes de varios grosores en discos que denotan partículas.
• La masa-energía de una partícula de Higgs es 125 GeV
En la fig. 2 Agrupe las partículas y las interacciones de manera diferente.
Fig. 2
La figura muestra qué partículas afectan directamente a cuáles. Dibujé líneas entre todos los tipos de partículas que interactúan directamente entre sí. Lo que es interesante notar:
• Nada de lo que a menudo se llama partículas de materia (leptones, neutrinos o quarks cargados) interactúa entre sí.
• ¡Las partículas de materia interactúan directamente solo con partículas que transfieren interacciones!
Esto explica por qué los portadores de interacción se llaman así. Cuando un electrón en un átomo interactúa con un quark superior en un núcleo atómico, no lo hace directamente. Un electrón interactúa directamente con un fotón, un quark interactúa con un fotón, y como resultado (es bastante complejo y no intuitivo) resulta que el electrón es atraído por el quark, y viceversa. Del mismo modo, la interacción entre dos quarks es indirecta y proviene de la interacción directa de los quarks con los gluones. Todas las interacciones conocidas entre partículas de materia no ocurren directamente; los portadores de interacciones participan en ellas. Cuando abres la puerta, los fotones funcionan.
La figura también indica varias propiedades importantes de las interacciones y clases de partículas:
• Todas las partículas de una determinada clase obedecen a una interacción: esto es lo que determina su pertenencia a la clase. Los neutrinos solo sienten una interacción débil. Solo los quarks y los gluones sienten una fuerte interacción.
• Las líneas curvas muestran que algunos de los operadores de interacción interactúan directamente con ellos mismos o con otros operadores. Los gluones interactúan consigo mismos, pero el fotón no interactúa consigo mismo (al menos no directamente).
• En cierto sentido, la partícula de Higgs también es portadora de interacción. Pero este es un caso especial. Cuanto más fuerte es el efecto ejercido por la interacción de Higgs en una partícula, mayor es la masa de esta partícula en un campo de Higgs distinto de cero. (Esta afirmación es cierta para las partículas conocidas, pero puede no ser cierto para las aún no descubiertas). Lo marqué con el gradiente del campo verde, que se vuelve más oscuro en la parte superior, lo que significa la amplificación del efecto para partículas pesadas. Del mismo modo, una partícula de Higgs interactúa más fuertemente con partículas pesadas que con las ligeras.
Este mundo se ve terriblemente extraño, pero lo quieras o no, es nuestro. Puede ver algunos esquemas marcados, pero aún no hay una organización clara. La desorganización de una forma u otra está relacionada con el campo (o campos) de Higgs.