Partículas elementales

Partículas elementales del modelo estándar

! Quarks	! Intercambiar partículas
! Leptones	! bosón de Higgs

Las partículas elementales son partículas subatómicas indivisibles y los bloques de construcción de materia más pequeños conocidos . Desde el punto de vista de la física teórica , son los niveles más bajos de excitación de determinados campos . Según el conocimiento actual, que ha sido obtenido por experimentos y resumido en el modelo estándar de física de partículas elementales , existe

seis tipos de quarks, cada uno con tres cargas de color diferentes ,
seis tipos de leptones , a saber, tres leptones cargados y tres neutrinos ,
doce tipos de bosones de calibre
, a saber
- un fotón para la interacción electromagnética
- ocho gluones para la interacción fuerte ,
- tres bosones ( Z ⁰ , W ⁺ , W ^- ) para la interacción débil
y el bosón de Higgs .

Esto da como resultado 37 partículas elementales al principio. También hay antipartículas : dieciocho anti-quarks y seis anti-leptones. Las antipartículas de los ocho gluones ya están incluidas. El fotón de las partículas , Z ⁰ y el bosón de Higgs son cada uno su propia antipartícula y W ⁺ / W ^- son sus antipartículas mutuas. En este recuento hay, por tanto, un total de 61 tipos de partículas elementales.

La materia y los campos de fuerza y radiación de la interacción fuerte, débil y electromagnética consisten en estas partículas en diferentes composiciones y estados. En el caso del campo gravitacional y las ondas gravitacionales , las partículas subyacentes, los gravitones (G), han sido hasta ahora hipotéticas ; en el caso de la materia oscura , todavía son completamente desconocidas.

Las partículas nombradas son pequeñas en el sentido de que

que todavía no se ha podido obtener ninguna pista para un diámetro distinto de cero a partir de experimentos. Teóricamente, por lo tanto, se supone que son puntuales.
que, según el estado actual del conocimiento, no se componen de subunidades aún más pequeñas.
que incluso un pequeño objeto de la vida cotidiana ya contiene billones (10 ²¹ ) de estas partículas. Por ejemplo, la cabeza de un pin ya consta de 10 ²²electrones y 10 ²³ quarks.

Aclaración del término

Las teorías que van más allá del Modelo Estándar predicen más partículas elementales . Sin embargo, estos se denominan hipotéticos porque aún no se han probado mediante experimentos.

Hasta el descubrimiento de los quarks, todos los tipos de hadrones también se consideraban partículas elementales, p . B. los bloques de construcción del núcleo protón , neutrón , pión y muchos más. Debido a la gran cantidad de especies diferentes, se habló del "zoológico de partículas". Incluso hoy en día, los hadrones a menudo se denominan partículas elementales, aunque, según el modelo estándar, todos están compuestos de quarks. B. también tienen un diámetro medible del orden de ^10-15 m. Para evitar confusiones, las partículas elementales enumeradas anteriormente según el modelo estándar a veces se denominan partícula elemental fundamental o partículas fundamentales llamadas.

Historia y descripción general

importar

Hasta bien entrado el siglo XX, tanto los filósofos como los científicos discutían si la materia era un continuo que podía subdividirse infinitamente o si estaba formado por partículas elementales que no podían dividirse en pedazos más pequeños. Tales partículas fueron llamadas "átomo" desde la antigüedad (del griego ἄτομος átomos , "el indivisible"), el nombre de partícula elemental (o partícula elemental en inglés ) no apareció antes de la década de 1930. Las primeras consideraciones filosóficas conocidas sobre los átomos proceden de la antigua Grecia ( Demócrito , Platón ). Basado en el conocimiento científico, este término se llenó por primera vez con el contenido actual alrededor de 1800, cuando, después del trabajo de John Dalton , la idea comenzó a ganar aceptación en química de que cada elemento químico consta de partículas que son idénticas entre sí. Fueron llamados átomos; este nombre se ha mantenido. Las diversas manifestaciones de las sustancias conocidas y sus posibilidades de transformación podrían explicarse por el hecho de que los átomos se combinan según reglas simples de diferentes formas para formar moléculas . Los átomos mismos se consideraban inmutables, especialmente indestructibles. A partir de 1860, esta imagen condujo a una explicación mecánica de las leyes de los gases en la teoría cinética de los gases a través del movimiento de calor desordenado de muchas partículas pequeñas invisibles. Esto podría incluir se puede determinar el tamaño real de las moléculas: son muchos órdenes de magnitud demasiado pequeñas para ser visibles en el microscopio.

Sin embargo, en el siglo XIX este cuadro fue referido como una mera “ hipótesis atómica ” y criticado por razones de principio (ver artículo Atom ). Solo encontró aprobación general en el contexto de la física moderna a principios del siglo XX . Albert Einstein logró un gran avance en 1905. Derivó teóricamente que los pequeños átomos o moléculas invisibles, debido a su movimiento térmico, chocan irregularmente con partículas más grandes que ya son visibles bajo el microscopio, de modo que estas también están en constante movimiento. Pudo predecir cuantitativamente el tipo de movimiento de estas partículas más grandes, lo que fue confirmado a partir de 1907 por Jean-Baptiste Perrin a través de observaciones microscópicas del movimiento browniano y el equilibrio de sedimentación . Esta se considera la primera prueba física de la existencia de moléculas y átomos.

Al mismo tiempo, sin embargo, las observaciones sobre la radiactividad mostraron que los átomos, tal como se habían definido en química, no pueden considerarse en física ni inmutables ni indivisibles. Más bien, los átomos se pueden dividir en una capa atómica de electrones y un núcleo atómico , que a su vez está compuesto por protones y neutrones . Los electrones, protones y neutrones se consideraron partículas elementales, pronto junto con muchos otros tipos de partículas que se descubrieron en los rayos cósmicos de la década de 1930 ( por ejemplo , muones , piones , kaones , así como positrones y otros tipos de antipartículas ) y de 1950 en experimentos. en aceleradores de partículas.

Debido a su gran número y confusas propiedades y relaciones entre sí, todos estos tipos de partículas se agruparon bajo el nombre de “zoológico de partículas”, y existía una duda generalizada de si todas ellas podían ser realmente elementales en el sentido de no estar compuestas . La primera característica de una clasificación fue la distinción entre hadrones y leptones en la década de 1950 . Los hadrones como protones y neutrones reaccionan a la interacción fuerte , los leptones como el electrón solo a la interacción electromagnética y / o débil . Si bien los leptones todavía se consideran elementales en la actualidad, las partículas "más pequeñas", los quarks , se pudieron identificar en los hadrones de la década de 1970 . Los seis tipos de quarks son las partículas realmente elementales según el Modelo Estándar , a partir de las cuales, junto con los gluones, se construyen los numerosos hadrones del zoológico de partículas.

Campos

Los campos físicos como el campo gravitacional, el campo magnético y el campo eléctrico fueron y son vistos como un continuo. Es decir, tienen una cierta intensidad de campo en cada punto del espacio, que puede variar espacial y temporalmente de manera continua (es decir, sin saltos). El descubrimiento de que las partículas elementales también desempeñan un papel en el campo electromagnético fue preparado por Max Planck en 1900 y elaborado por Albert Einstein en 1905 en forma de hipótesis cuántica de luz . Según esto, los campos electromagnéticos libres que se propagan como ondas solo pueden excitarse o debilitarse en saltos del tamaño de un cuanto elemental. Que estos cuantos electromagnéticos tienen todas las propiedades de una partícula elemental se reconoció a partir de 1923 como resultado de los experimentos de Arthur Compton . Mostró que un solo electrón se comporta en un campo de radiación electromagnética exactamente como si chocara con una sola partícula allí. En 1926, a este cuanto electromagnético se le dio el nombre de fotón .

Hacia 1930 sobre la base de la mecánica cuántica , se desarrolló la electrodinámica cuántica que describe la aparición de una emisión de fotones en el proceso y su destrucción en el proceso de absorción. En el contexto de esta teoría se desprende que los campos eléctricos y magnéticos estáticos conocidos también se deben al efecto de los fotones, que, sin embargo, se generan y destruyen como las llamadas partículas virtuales . El fotón es el cuanto de campo del campo electromagnético y la primera partícula de intercambio conocida que hace que surja una de las fuerzas fundamentales de la física.

Esto dio lugar a dos desarrollos adicionales: la formación y destrucción de partículas como electrones y neutrinos observadas en la radiactividad beta se interpretó como la excitación o debilitamiento de un "campo de electrones" o un "campo de neutrinos", por lo que estas partículas ahora también se ven. como cuantos de campo de su campo respectivo (ver teoría cuántica de campos ). Por otro lado, se buscaron partículas de intercambio y se encontraron otras fuerzas básicas: el gluón para la interacción fuerte (probado en 1979), el bosón W y el bosón Z para la interacción débil (probado en 1983). Para la gravedad, la cuarta y con mucho la más débil de las interacciones fundamentales , todavía no existe una teoría cuántica de campos reconocida. Aunque todas las partículas están sujetas a la gravedad, los efectos teóricamente esperados de las reacciones de las partículas elementales se consideran inobservables. Por lo tanto, la gravitación no se trata en el modelo estándar, especialmente porque un cuanto de campo asociado, el gravitón , ha sido hasta ahora puramente hipotético.

El bosón de Higgs es el cuanto de campo de otro campo novedoso que se insertó en la teoría del campo cuántico de la interacción electromagnética unificada y débil ( interacción electrodébil ) para poder formular teóricamente de forma coherente el hecho de que hay partículas con masa. Un nuevo tipo de partícula que corresponde a estas expectativas se encontró en 2012 en experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones cerca de Ginebra.

Lista de partículas elementales

División en fermiones y bosones

Partículas elementales
Fermiones elementales ("partículas de materia")		Bosones elementales
Leptones	Quarks	Bosones de calibración ("partículas de fuerza")	bosón de Higgs
ν _e , ν _μ , ν _τ , e ^- , μ ^- , τ ^-	d, u, s, c, b, t	g , γ , W ^± , Z ⁰	H ⁰

En primer lugar, se hace una distinción entre las dos clases de fermiones y bosones para partículas elementales (así como para partículas compuestas) . Los fermiones tienen un espín medio entero y obedecen una ley de conservación del número de partículas, por lo que solo pueden surgir o perecer junto con sus antipartículas. Los bosones tienen un giro entero y se pueden crear y aniquilar individualmente. Con vistas a la conservación de la materia en la vida cotidiana y en la física clásica, los fermiones entre las partículas elementales se ven, por lo tanto, a menudo como las partículas más pequeñas de materia y también se denominan partículas de materia . Los bosones entre las partículas elementales, por otro lado, están asociados con campos porque la intensidad de un campo puede variar continuamente en la física clásica. Por lo tanto, los bosones a menudo se denominan cuantos de fuerza o campos de radiación, o brevemente como cuantos de campo. Sin embargo, en la teoría cuántica de campos, los fermiones también son cuantos de campo de sus respectivos campos. De las partículas elementales en el modelo estándar, los leptones y quarks pertenecen a los fermiones y las partículas de intercambio, así como el bosón de Higgs (y, si existe, el gravitón) pertenecen a los bosones.

Leptones

Los leptones son las partículas elementales de materia con espín que no están sujetas a la interacción fuerte. Son fermiones y participan en la interacción débil y, si están cargados eléctricamente, en la electromagnética. ${\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}}}$

eléctrica cargo	Generacion
eléctrica cargo	1	2	3
−1	Electrón (s)	Muón (μ)	Tauon (τ)
0	Neutrino electrónico (ν _e )	Neutrino muón (ν _μ )	Neutrino tauon (ν _τ )

Hay tres leptones cargados eléctricamente (carga = −1e): el electrón (e), el muón (μ) y el tauon (o τ leptón) (τ) y tres leptones eléctricamente neutros: el neutrino electrónico (ν _e ), el neutrino muon (ν _μ ) y el neutrino tauon (ν _τ ). Los leptones están ordenados en tres generaciones o familias : (ν _e , e), (ν _μ , μ) y (ν _τ , τ). Cada familia tiene su propio número de leptones, que siempre se conserva a excepción de las oscilaciones de neutrinos .

Para cada uno de estos tipos de leptones hay un tipo correspondiente de antipartícula , que generalmente se identifica por la sílaba anterior anti- . Solo la antipartícula del electrón, que fue la primera antipartícula descubierta, se llama positrón . Nunca ocurre en las observaciones que cuando se genera un antileptón, no se genera también un leptón o no se destruye otro antileptón. Describe esta situación como la conservación del número de leptones (también llamado Leptonenladung ) se emplean para cada leptón y para cada antileptón , el valor total de permanece constante. La preservación del número de leptones se aplica a todos los procesos de creación y aniquilación de leptones y antileptones. Las teorías más allá del Modelo Estándar han especulado sobre posibles violaciones de esta ley, pero aún no se han observado y por lo tanto son hipotéticas. ${\ Displaystyle L}$ ${\ Displaystyle L = + 1}$ ${\ Displaystyle L = -1}$ ${\ Displaystyle L}$

Los únicos leptones estables son el electrón y el positrón. Los muones y tauones se desintegran espontáneamente transformándose en un leptón más ligero con la misma carga eléctrica, un neutrino y un antineutrino, a través de la interacción débil. Alternativamente, los tauones pueden descomponerse en neutrinos y hadrones.

Quarks

Los quarks son las partículas elementales de materia con espín , que, además de la interacción débil y electromagnética, también están sujetas a la interacción fuerte. Son fermiones y, además de la isospina débil (dependiendo de su quiralidad ) y la carga eléctrica, también llevan una carga de color . ${\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}}}$

eléctrica cargo	Generacion
eléctrica cargo	1	2	3
+ ² / ₃ e	arriba (u)	encanto (c)	arriba (t)
- ¹ ⁄ ₃ e	abajo (d)	extraño (s)	abajo (b)

Hay tres tipos de quarks con la carga eléctrica e: abajo (d), extraño (s) e inferior (b), y tres tipos de quarks con la carga eléctrica e: arriba (u), encanto (c) y arriba ( t). Por lo tanto, también se conocen tres generaciones o familias de quarks : (d, u), (s, c) y (b, t). Al igual que con los leptones, las familias difieren mucho en sus masas. Las conversiones de quarks se producen debido a la interacción débil, preferiblemente dentro de una familia (por ejemplo, c ⇒ s). Estas conversiones se describen en Quark Mixture Matrix. ${\ Displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$ ${\ displaystyle + {\ tfrac {2} {3}}}$

Al crear o destruir quarks o antiquarks, se aplica el mismo rigor a la preservación del número bariónico (también llamado carga bariónica ) que con los leptones (ver arriba ): si se establece para cada quark y para cada antiquark , el valor total del El número de bariones permanece constante con todos los procesos físicos conocidos. La elección del valor se explica por el hecho de que a los protones y neutrones de los bloques de construcción del núcleo se les asignó el barión número 1 mucho antes de que se descubriera que estaban formados por tres quarks. Aquí también, las teorías más allá del Modelo Estándar especulan sobre posibles violaciones de la conservación del número bariónico, pero aún no se han observado y, por lo tanto, son hipotéticas. ${\ Displaystyle B}$ ${\ Displaystyle B = {\ tfrac {1} {3}}}$ ${\ Displaystyle B = - {\ tfrac {1} {3}}}$ ${\ Displaystyle B}$ ${\ displaystyle {\ tfrac {1} {3}}}$

Los quarks nunca se observan libremente, sino solo como componentes ligados de los hadrones (consulte la sección “Partículas compuestas” a continuación).

Intercambiar partículas (bosones de calibre)

Partícula	Energía de reposo (GeV)	Girar ( ) ${\ Displaystyle \ hbar}$	Eléctrica de carga ( ) ${\ Displaystyle e}$	interacción mediada
fotón	0	1	0	fuerza electromagnetica
Z ⁰ Higgs	aprox.91	1	0	fuerza débil
W ⁺ bosón	alrededor de 80	1	+1
W ^- bosón	alrededor de 80	1	−1
Gluones	0	1	0	fuerza fuerte (fuerza de color)
( Gravitón )	0	2	0	Gravedad

Las partículas de intercambio son los bosones que median las interacciones entre las mencionadas partículas elementales del tipo fermión . El nombre bosón gauge se explica por el hecho de que el modelo estándar se formula como teoría gauge , donde el requisito de la invariancia gauge local significa que se predice que las interacciones con partículas de intercambio tienen espín 1, es decir , son bosones .

El gravitón aún no se ha probado en experimentos y, por lo tanto, es hipotético. Sin embargo, a menudo se enumera en relación con las otras partículas de intercambio, lo que refleja la esperanza de que en futuros modelos de física de partículas la interacción gravitacional también pueda tratarse en términos de la teoría cuántica de campos. Las propiedades del gravitón dadas en la tabla de la derecha corresponden a lo que se espera según la teoría general de la relatividad .

fotón

Como cuanto de campo del campo electromagnético, el fotón es el bosón gauge más largo conocido. Puede ser creado o destruido por cualquier partícula con carga eléctrica y media toda la interacción electromagnética . No tiene masa ni carga eléctrica. Debido a estas propiedades, la interacción electromagnética tiene un rango infinito y puede tener un efecto macroscópico.

Bosones W y Z

Hay dos bosones W con cargas eléctricas opuestas y el bosón Z neutro. Pueden ser generados y destruidos por cualquier partícula con un isospin débil o una hipercarga débil , y median la interacción débil . Por tanto, son responsables de todos los procesos de transformación en los que un quark se transforma en otro tipo de quark, o un leptón en otro tipo de leptón. Tienen una gran masa, lo que limita su rango como partículas de intercambio al orden de ^10-18 m. Este rango extremadamente corto es la razón por la que la interacción débil parece débil. A diferencia del fotón, los bosones W también llevan isospins débiles . Por lo tanto, también pueden interactuar entre sí a través de la interacción débil.

Gluón

Los gluones pueden ser generados y destruidos por las partículas coloreadas y median la fuerte interacción entre ellas . Además de los quarks, los propios gluones también llevan una carga de color, cada uno en combinación con una carga de anti-color. Las posibles mezclas llenan un espacio de estados de ocho dimensiones, por lo que se suele hablar de ocho gluones diferentes. Dos de las ocho dimensiones pertenecen a estados en los que el gluón lleva la carga de anticolor que coincide exactamente con la carga de color; estos gluones son sus propias antipartículas. Los gluones no tienen masa ni carga eléctrica ni isospín débil. Como portadores de cargas de colores, también interactúan entre sí. Esta propiedad es la causa del confinamiento , que limita efectivamente el rango de la interacción fuerte a aproximadamente ^10-15 m. Este es aproximadamente el diámetro de los hadrones formados por quarks (como protones y neutrones) y también el rango de la fuerza nuclear que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico.

El bosón de Higgs

El bosón de Higgs es una partícula elemental predicha por el Modelo Estándar que fue descubierto en el centro europeo de investigación nuclear CERN . Puede ser creado y destruido por todas las partículas con masa y es el cuanto de campo del omnipresente campo de Higgs , que da a estas partículas su masa en primer lugar. El bosón de Higgs tiene spin 0 y no es un bosón gauge.

Partículas compuestas de partículas elementales.

Partículas compuestas
Grupo de partículas		Ejemplos de	Explicación
Hadrones			constan de quarks (y gluones )
Mesones			Hadrones con espín entero ( bosones )
	Quarkonia	J / ψ , Υ , ...	quark pesado y su antiquark
	otro q q	π , K , η , ρ , D , ...	generalmente un quark y un antiquark
	exótico	Tetraquarks , bolas de pegamento , ...	parcialmente hipotético
Bariones			Hadrones de espín de medio entero ( fermiones )
	Nucleones	resonancias p , n , N	Bariones de quarks uyd con isospin ¹ ⁄ ₂
	Δ-bariones	Δ ⁺⁺ (1232), ...	Bariones de quarks uyd con isospin ³ ⁄ ₂
	Hiperones	Λ , Σ , Ξ , Ω	Bariones con al menos un quark s
	otro	Λ _c , Σ _c , Ξ _b , ...	Bariones con quarks más pesados
	exótico	Pentaquarks , ...	que consta de más de tres quarks
Núcleos atómicos			Bariones unidos por una fuerte interacción
	normal	d , α , ¹² C , ²³⁸ U , ...	constan de protones y neutrones
	exótico	Hipernúcleos , ...	otros sistemas
Átomos			ligado electromagnéticamente
	normal	H , él , Li , ...	constan de un núcleo atómico y electrones
	exótico	Positronio , muonio , ...	otros sistemas

Las partículas compuestas por quarks (y gluones) se denominan hadrones . Hasta el descubrimiento de los quarks y el desarrollo del Modelo Estándar de alrededor de 1970, se consideraban partículas elementales y todavía hoy se las conoce como tales. Los hadrones se dividen en dos categorías: mesones y bariones .

Los núcleos atómicos también están formados por quarks y unidos por la interacción fuerte, pero no se los conoce como hadrones.

Mesones

Los mesones tienen espín entero, por lo que son bosones . Son estados vinculantes de un quark y un antiquark. Todos los mesones son inestables. El mesón más ligero es el pión , que, según la carga eléctrica, se transforma en leptones o fotones ("decae"). En la teoría de Yukawa, los piones se consideran partículas de intercambio de las fuerzas nucleares con las que se unen protones y neutrones en el núcleo atómico.

Bariones

Los bariones tienen un giro medio entero, por lo que son fermiones . Son estados de enlace de tres quarks (análogos a los antibariones de tres antiquarks). Los únicos bariones estables son el protón y el antiprotón. Todos los demás son inestables en sí mismos y eventualmente se transforman en un protón o antiprotón, posiblemente a través de pasos intermedios. Los bariones más importantes son el protón y el neutrón . Dado que son los componentes del núcleo atómico, se denominan colectivamente nucleones .

Núcleos atómicos

Los núcleos atómicos son sistemas unidos de bariones debido a la fuerte interacción. Normalmente están formados por protones y neutrones; solo estos núcleos atómicos pueden ser estables. El sistema estable más pequeño de este tipo es el núcleo atómico de hidrógeno pesado, que se llama deuterón y consta de un protón y un neutrón, es decir, seis quarks. Por lo general, el protón también es uno de los núcleos atómicos, ya que representa el núcleo del átomo de hidrógeno . Si uno o más nucleones son reemplazados por otros bariones, se habla de hipernúcleos . Debido al corto rango de la interacción fuerte, la distancia media entre los bariones en el núcleo atómico no es mucho mayor que su diámetro.

Átomos

Los átomos son sistemas unidos por interacción electromagnética, que generalmente consisten en un núcleo atómico (pesado) y electrones (ligeros). Si un nucleón en el núcleo atómico y / o un electrón en la capa es reemplazado por partículas de un tipo diferente, se crea un átomo exótico inestable . En el siglo XIX, antes de que se descubriera la estructura interna de los átomos, a los átomos mismos se les llamaba a veces las partículas elementales de los elementos químicos.

Estabilidad y vida útil

De las partículas elementales del modelo estándar, solo el electrón, el positrón, el fotón y los neutrinos son estables en un estado libre y aislado.

En el caso de quarks y gluones, es difícil hablar de estabilidad porque no se pueden aislar. Solo aparecen en varios juntos en hadrones. En él, se transforman constantemente de una especie a otra por la fuerte interacción que los mantiene unidos. La estabilidad del protón o de muchos otros núcleos atómicos solo es válida como un todo, pero no para el quark o gluón individual que contiene. Un neutrino de uno de los tres tipos de neutrinos muestra una mezcla que cambia periódicamente de los tres tipos con la oscilación del neutrino , pero ciertas mezclas de los diferentes tipos de neutrinos, los tres estados propios de masa , son estables. (Lo mismo se aplica a las respectivas antipartículas).

Las otras partículas elementales y sus antipartículas son inestables en el sentido corriente de la palabra: se transforman espontáneamente en otras partículas de menor masa. Se aplica la ley de la desintegración radiactiva y, basándose en la desintegración radiactiva , se habla de la desintegración de las partículas, sobre todo porque una partícula siempre da lugar a otras dos o tres. Sin embargo, los productos de descomposición no estaban ya presentes de ninguna manera en la partícula original. Más bien, se destruye en el proceso de desintegración, mientras que los productos de la desintegración se regeneran. La vida media de las partículas elementales inestables está entre 2 · 10 ⁻⁶ s (muón) y 4 · 10 ⁻²⁵ s (bosón Z).

La estabilidad de las partículas elementales como el electrón, o de los sistemas ligados como el protón, el núcleo atómico o el átomo, se explica generalmente en el Modelo Estándar por el hecho de que no existe una ruta de desintegración que no esté prohibida por uno de los componentes generales de conservación. leyes. De la ley de conservación de la energía se deduce que la suma de las masas de los productos de desintegración no puede ser mayor que la masa de la partícula o sistema en descomposición. Con la ley de conservación de la carga eléctrica se deduce que el electrón y el positrón son estables porque no hay partículas más ligeras con la misma carga. Para la estabilidad del protón (y otros núcleos, pero también del antiprotón, etc.) también se debe utilizar una de las dos leyes de conservación para el número de bariones o el número de leptones. De lo contrario, el positrón (el electrón en el caso de una carga eléctrica negativa) sería un posible producto de desintegración para todas las partículas elementales cargadas positivamente. Sin embargo, las leyes de conservación separadas para quarks y leptones se cancelan en algunos modelos teóricos más allá del modelo estándar. Por tanto, la estabilidad del protón se comprueba en experimentos. Aún no se han observado desintegraciones de protones ; la vida media del protón, si es finita, es de al menos 10 ³⁵ años según el estado actual (2017) .

Propiedades de todas las partículas elementales

En el modelo estándar se aplica lo siguiente:

Todas las partículas elementales se pueden crear y destruir. Aparte de su movimiento libre de fuerzas a través del espacio, la creación y la aniquilación son los únicos procesos en los que participan. Estos son, por tanto, también la base de toda interacción. De lo contrario, sin embargo, las partículas son completamente inalterables en sus propiedades internas. En particular, no son divisibles y no tienen estados excitados.
Todas las partículas elementales del mismo tipo son idénticas ; H. indistinguible. En el mejor de los casos, se puede distinguir entre los estados que estas partículas están asumiendo actualmente. Por otro lado, es fundamentalmente imposible determinar cuál de varias partículas idénticas tuvo o estará en cierto estado en un momento anterior o posterior (ver Partículas idénticas ).
Todas las partículas elementales cargadas tienen antipartículas que son exactamente iguales en todas las propiedades, excepto que llevan cargas opuestas. Las cuatro partículas elementales sin carga fotón, bosón Z ⁰ , bosón de Higgs y dos gluones son sus propias antipartículas. Una partícula y una antipartícula del mismo tipo pueden aniquilarse entre sí. No se retiene nada más que toda su energía, impulso y momento angular. Estos se transfieren a partículas recién creadas (ver aniquilación de pares , creación de pares ).
Todas las partículas elementales parecen puntuales. Solo asumen estados en los que tienen una probabilidad espacialmente extendida de su presencia (ver función de onda ). Sin embargo, con el aumento del gasto de energía, este tipo de expansión espacial se puede empujar por debajo de cualquier límite previamente determinado sin ningún cambio en las propiedades internas de la partícula. Con el electrón , los experimentos correspondientes están más avanzados y han alcanzado el rango de 10 a ¹⁹ m.
Todas las partículas elementales siguen siendo miembros del mismo tipo de partícula hasta la próxima interacción . Los neutrinos son una cierta excepción: un neutrino se crea en forma de uno de los tres tipos observables mencionados anteriormente, pero se ha convertido parcialmente en otro de estos tipos mediante la siguiente interacción de una interacción ( oscilación de neutrinos ). Esta mezcla que cambia periódicamente de las tres especies observadas se explica por el hecho de que, en teoría, hay tres tipos de neutrinos inmutables con masas diferentes y definidas con precisión, mientras que los tres tipos de neutrinos observados son tres combinaciones lineales determinadas mutuamente ortogonales. Estrictamente hablando, las tres especies observadas no tienen cada una una masa claramente definida, sino una distribución de masa.
Las propiedades internas invariables de cada partícula elemental son
- su energía en reposo ( masa ),
- su espín (momento angular intrínseco, que siempre tiene el mismo tamaño, posiblemente también en el sistema de reposo de la partícula. El valor cero solo se aplica al bosón de Higgs).
- su paridad interna (definida como positiva para partículas y negativa para antipartículas)
- su número de leptones (valor +1 para cada leptón, -1 para cada antileptón, cero para todas las demás partículas)
- su número bariónico (valor (por razones históricas) para cada quark, para cada antiquark, cero para todas las demás partículas) ${\ displaystyle + {\ tfrac {1} {3}}}$ ${\ Displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$
- su carga eléctrica (si tiene el valor cero, la partícula no participa en la interacción electromagnética ).
- su isospín débil (si tiene el valor cero y la partícula tampoco tiene carga eléctrica, la partícula no participa en la interacción débil ).
- su carga de color (si tiene el valor cero, la partícula no participa en la interacción fuerte ).

Generación y destrucción como base de todos los procesos

El modelo estándar solo contempla la creación y destrucción de partículas elementales como procesos posibles. Los primeros tres ejemplos para explicar esta afirmación de gran alcance:

Desviación de un electrón: Un simple cambio en la dirección de vuelo de un electrón se resuelve en un proceso de aniquilación y creación: el electrón en su estado inicial se aniquila y se genera un electrón con el momento en la nueva dirección. Dado que los electrones son partículas indistinguibles, la cuestión de si "sigue siendo el mismo electrón" no tiene sentido. No obstante, este proceso suele parafrasearse lingüísticamente de tal manera que "el" electrón sólo ha cambiado su dirección de vuelo. El modelo estándar solo permite este proceso, que combina aniquilación y generación, si también está involucrada una partícula de intercambio. Esto se absorbe (destruye) o se emite (genera) y, en cualquier caso, tiene precisamente valores de energía e impulso tales que ambas cantidades se retienen en general. Las partículas de intercambio en cuestión en este ejemplo son el fotón, el bosón Z y el bosón de Higgs. Todos los demás están descartados: los gluones están fuera de discusión porque el electrón es un leptón y por lo tanto no tiene carga de color; Los bosones W están descartados por la estricta conservación de la carga eléctrica, porque están cargados; cuando surgen o desaparecen, su carga tendría que aparecer en una de las otras dos partículas involucradas. El electrón tiene la misma carga antes y después de la deflexión.
Desintegración de un bosón Z en un par electrón-positrón: se destruye un bosón Z, se generan un electrón y un antielectrón (positrón). La carga eléctrica total se retiene porque el par electrón-positrón es neutro, como el bosón Z original.
Conversión de un quark down en un quark up: El quark down se destruye, se genera el quark up, se debe generar o destruir una partícula de intercambio. En este caso, no solo tiene que compensar el (posible) cambio en el momento y la energía de los quarks, sino también la conversión de la carga eléctrica de a . Esto significa que solo se cuestiona el bosón W con el signo de carga correcto: si se genera, tiene la carga , de lo contrario . Aquí nuevamente, esta combinación de aniquilación y creación de quarks se conoce lingüísticamente como la conversión de un quark en un quark de un tipo diferente. (Este proceso es el primer paso de beta radiactividad El emite W. ^- . Higgs no es estable, pero se destruye en una segunda etapa del procedimiento, lo que se genera un par adecuado de fermiones En radiactividad beta, es un electrón, la radiación beta , y un antineutrino electrónico.) ${\ Displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$ ${\ displaystyle + {\ tfrac {2} {3}}}$ ${\ displaystyle -1}$ ${\ displaystyle +1}$

Todos estos son ejemplos de un "vértice de tres vías", porque tres partículas siempre están involucradas en estos pasos elementales del proceso, dos fermiones y un bosón cada uno. En este contexto, la palabra vértice representa una cierta combinación de procesos de creación y destrucción. Proviene del lenguaje simbólico gráfico de los diagramas de Feynman , en los que cada partícula está representada por una línea corta. Las líneas de las partículas involucradas en un proceso se encuentran en un punto común, el vértice, donde terminan (para la aniquilación) o comienzan (para la creación). Las líneas de los fermiones (incluidos los antifermiones) deben aparecer siempre en pares, ya sea para leptones o para quarks, pero no mezcladas. La tercera línea siempre debe describir un bosón. Las partículas y antipartículas deben estar involucradas de tal manera que se retenga el número total de leptones o bariones. También hay vértices de 3 vías y vértices de 4 vías con solo bosones. Para otros tamaños que deben conservarse para cada vértice, consulte la ley de conservación .

La acción de un fermión sobre otro, p. Ej. B. la repulsión mutua de dos electrones se describe como un proceso de dos etapas, es decir, con dos vértices de 3 vías: en un vértice, un electrón genera un fotón, que es absorbido por el otro electrón en el otro vértice. Se dice que los electrones intercambian un fotón, del que se deriva el término partícula de intercambio . En general, toda interacción entre dos fermiones consiste en el hecho de que se intercambian partículas de intercambio. Según las reglas de la teoría cuántica de campos, la partícula de intercambio evade la observación directa; sigue siendo una partícula virtual . Independientemente de esto, transmite impulso y energía de una partícula a otra y, por lo tanto, causa z. B. el cambio en las direcciones de vuelo de las partículas. Este es un efecto observable, ya que es causado por una fuerza en la física clásica .

Interacciones y cargos

El modelo estándar se ocupa de tres interacciones fundamentales :

La fuerte interacción proviene de la carga de color . Solo los quarks y gluones tienen una carga de color.
La interacción electromagnética se basa en la carga eléctrica . En él participan todas las partículas cargadas eléctricamente, es decir, todos los quarks, la mitad de los leptones, ambos bosones W y, además, el fotón , aunque sin carga.
La interacción débil no tiene carga en analogía con la carga eléctrica o la carga de color. En él participan todas las partículas cuya isospina débil o cuya carga eléctrica sea diferente de cero , es decir , todas las partículas excepto el gluón, el fotón y el neutrino derecho .

La cuarta fuerza básica, la gravedad , actúa sobre todas las partículas elementales, ya que todas las partículas tienen energía. En física de partículas, sin embargo, en su mayoría se deja fuera de consideración debido a su baja fuerza, especialmente porque todavía no existe una teoría cuántica de la gravedad. También lo es z. B. el gravitón , el cuanto de campo asociado, hasta ahora puramente hipotético.

Masa (energía en reposo)

Según la ecuación de Einstein E = mc ² , la masa de una partícula corresponde a un valor de energía, la energía en reposo . Dado que en física de partículas una energía suele expresarse en electronvoltios (eV), la unidad de masa es eV / c ² . Como regla general, se utilizan unidades naturales , en cuyo caso el cociente “c ² ” puede omitirse de la especificación y la masa puede especificarse en eV.

Las masas de las partículas elementales oscilan entre 0 eV / c ² ( fotón , gluón ) y 173 GeV / c ² ( quark top ). Por ejemplo, la masa del protón es 938 MeV / c ² , la del electrón 0.511 MeV / c ² . Con valores de como máximo 1 eV / c ² , los neutrinos tienen las masas más bajas distintas de cero. En el Modelo Estándar , inicialmente se consideraron sin masa hasta que se observaron oscilaciones de neutrinos en 1998 . De la oscilación se puede concluir que los tres tipos de neutrinos tienen masas diferentes. Pero son tan pequeños que aún no se han podido determinar los valores exactos.

Girar

Todas las partículas elementales, excepto el bosón de Higgs, tienen un momento angular intrínseco distinto de cero , también conocido como espín. Esto solo puede ocurrir en múltiplos enteros o medio enteros del cuanto de acción y se conoce como el número cuántico de espín de la partícula. El giro es una propiedad intrínseca de las partículas, su cantidad no se puede cambiar, solo se puede cambiar su orientación en el espacio. Los leptones y los quarks tienen partículas de intercambio , el bosón de Higgs . En general, las partículas con espín entero forman la clase de partículas de bosones, aquellas con espín medio entero forman la clase de partículas de fermiones. Los bosones se pueden crear y aniquilar individualmente, p. Ej. B. cuantos de luz individuales; Los fermiones, por otro lado, solo existen en pares como partículas y antipartículas. Para más consecuencias de esta distinción fundamentalmente importante, consulte boson y fermion . ${\ Displaystyle \ hbar}$ ${\ Displaystyle J}$ ${\ Displaystyle J = {\ tfrac {1} {2}}}$ ${\ Displaystyle J = 1}$ ${\ Displaystyle J = 0}$ ${\ Displaystyle J}$

Más números cuánticos

Otros números cuánticos de quarks y leptones caracterizan su afiliación a una de las seis especies y cantidades más conservadas, p. B. Isospin , extrañeza , Baryon número , número Lepton . Los hadrones compuestos son el símbolo simplificado u o. Ä. En el cual el número cuántico de los pines es necesario para la paridad , cuál para la paridad G y el para la conjugación de carga . ${\ Displaystyle I}$ ${\ Displaystyle S}$ ${\ Displaystyle A}$ ${\ Displaystyle L}$ ${\ Displaystyle I ^ {G} (J ^ {PC})}$ ${\ displaystyle J ^ {PC}}$ ${\ Displaystyle J}$ ${\ Displaystyle P}$ ${\ Displaystyle G}$ ${\ Displaystyle C}$

Antipartícula

Hay antipartículas para cada tipo de partícula. En algunas propiedades, la partícula y la antipartícula correspondiente coinciden exactamente, p. Ej. B. en la masa, en la cantidad de giro, a lo largo de la vida. Se diferencian en el signo de todos los cargos por los que se aplica una ley de conservación. Esto concierne a z. B. la carga eléctrica, la carga bariónica y leptónica. Por ejemplo, el protón está cargado positivamente y el antiprotón es negativo.

Las partículas sin tales cargas retenidas, a saber, el fotón y el bosón Z, son su propia antipartícula. Los neutrinos no están incluidos, porque solo son eléctricamente neutros, pero llevan la carga leptónica positiva como partículas y la carga leptónica negativa como antipartículas. Por lo tanto, los neutrinos no son idénticos a los antineutrinos y se comportan de manera diferente en el experimento. Los dos bosones W son un par partícula-antipartícula. Un gluón está cargado con una carga de color y una carga de anti-color, por lo que el antigluón asociado ya está incluido en el grupo de gluones.

Dado que un par de partículas y antipartículas tomadas juntas es neutral con respecto a cada una de las cargas obtenidas, dichos pares pueden surgir “de la nada” siempre que se disponga de la energía necesaria para generar sus masas ( formación de pares ). Por ejemplo, un fotón (número de leptón 0, carga eléctrica 0) puede convertirse en un leptón (número de leptón 1, carga eléctrica -1) y un antileptón (número de leptón -1, carga eléctrica +1). A partir de una energía mínima de 1,02 MeV es un par electrón-positrón, a partir de 212 MeV también es posible un par muón-antimuón. También tiene lugar la reacción opuesta: mientras que el electrón y el positrón son estables debido a la retención del número de leptones o la retención de la carga eléctrica, se aniquilan entre sí cuando se unen en nanosegundos ( aniquilación ) y dejan atrás, en forma de otras partículas elementales adecuadas, nada más que su contenido total de energía, es decir, al menos 1,02 MeV, así como, si no es igual a cero, su momento total y su momento angular total.