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La física de partículas

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El modelo estándar de la física de partículas
CERN LHC Tunnel1.jpg
Gran Colisionador de Hadrones del túnel CERN

La física de partículas es una rama de la física que estudia la naturaleza de las partículas que son los componentes de lo que se conoce generalmente como la materia y radiación. En la comprensión actual, las partículas son excitaciones de campos cuánticos e interactúan siguiendo su dinámica. La mayor parte del interés en esta área es en campos fundamentales, cada una de las cuales no se pueden definir como un estado ligado de otros campos. El conjunto actual de los campos fundamentales y su dinámica se resumen en una teoría llamada el modelo estándar , por lo tanto, la física de partículas es en gran medida el estudio de contenido de partículas del Modelo Estándar y sus posibles extensions.This nos muestra que las partículas en efecto, siguen las leyes de la física.

Partículas subatómicas

El Modelo Estándar de la Física

Moderna investigación de la física de partículas se centra en partículas subatómicas, incluidos constituyentes atómicos tales como electrones , protones y neutrones (protones y neutrones son partículas compuestas llamadas bariones, hechas de quarks ), producido por radiactivos y procesos de dispersión, tales como los fotones , neutrinos, y muones, así como una amplia gama de partículas exóticas. Para ser más específicos, la partícula término es un nombre poco apropiado de la física clásica, porque la dinámica de la física de partículas se rigen por la mecánica cuántica . Como tal, exhiben dualidad onda-partícula , mostrando el comportamiento de partículas como en ciertas condiciones experimentales y de onda -como comportamiento en otros. En términos más técnicos, que son descritos por vectores de estado cuánticos en un Espacio de Hilbert, que también son objeto de la teoría cuántica de campos . Siguiendo la convención de los físicos de partículas, las partículas elementales se refieren a objetos tales como electrones y fotones como es bien sabido que esos tipos de partículas presentan propiedades ondulatorias también.

Partículas Elementales
Tipos Generaciones Antipartícula De color Total
Quarks 2 3 Par 3 36
Los leptones 2 3 Par Ninguno 12
Los gluones 1 1 Propio 8 8
W 1 1 Par Ninguno 2
Z 1 1 Propio Ninguno 1
Fotón 1 1 Propio Ninguno 1
Higgs 1 1 Propio Ninguno 1
Total 61

Todas las partículas y sus interacciones observadas hasta la fecha, se pueden describir casi en su totalidad por una teoría del campo cuántico llamado el Modelo Estándar . El modelo estándar tiene 61 partículas elementales. Esas partículas elementales se pueden combinar para formar partículas compuestas, lo que representa para los cientos de otras especies de partículas que se han descubierto desde la década de 1960. El modelo estándar se ha encontrado que de acuerdo con casi todos los ensayos experimentales llevados a cabo hasta la fecha. Sin embargo, la mayoría de los físicos de partículas creen que es una descripción incompleta de la naturaleza, y que una teoría más fundamental aguarda descubrimiento (Ver Teoría del Todo). En los últimos años, las mediciones de neutrino masa han proporcionado las primeras desviaciones experimentales del Modelo Estándar.

Historia

La física moderna
{I \ hbar \ frac {\ partial} {\ t parcial} \ Psi (\ mathbf {r}, \, t) = \ hat H \ Psi (\ mathbf {r}, \, t)}
Ecuación de Schrödinger
Historia de la física moderna

La idea de que toda la materia está compuesta de partículas elementales fechas para al menos el siglo sexto antes de Cristo. La doctrina filosófica de atomismo y la naturaleza de las partículas elementales fueron estudiados por antiguos filósofos griegos como Leucipo, Demócrito, y Epicuro; antiguo Filósofos indios como Kanada, Dignaga, y Dharmakirti; Científicos musulmanes como Ibn al-Haytham, Ibn Sina, y Mohammad al-Ghazali; y en la temprana Europa moderna por los físicos como Pierre Gassendi, Robert Boyle , y Isaac Newton . La teoría corpuscular de la luz también fue propuesto por Ibn al-Haytham, Ibn Sina, Gassendi, y Newton. Esas primeras ideas fueron fundadas a través abstracto, filosófico razonamiento en lugar de experimentación y la observación empírica.

En el siglo 19, John Dalton , a través de su trabajo en estequiometría, llegó a la conclusión de que cada elemento de la naturaleza se compone de un solo tipo, única de partículas. Dalton y sus contemporáneos creían esas eran las partículas fundamentales de la naturaleza y por lo tanto ellos llamaron átomos, después de que los griegos atomos palabra, que significa "indivisible". Sin embargo, cerca del final de ese siglo, los físicos descubrieron que los átomos no son, de hecho, las partículas fundamentales de la naturaleza, sino conglomerados de partículas aún más pequeñas. Las exploraciones de principios del siglo 20 de la física nuclear y la física cuántica culminaron en las pruebas de la fisión nuclear en 1939 por Lise Meitner (basado en experimentos de Otto Hahn), y la fusión nuclear por Hans Bethe en ese mismo año. Esos descubrimientos dieron lugar a una industria activa de la generación de un átomo a otro, incluso haciendo posible (aunque probablemente nunca será rentable) el transmutación del plomo en oro; y, esos mismos descubrimientos también condujeron al desarrollo de armas nucleares . A lo largo de los años 1950 y 1960, una desconcertante variedad de partículas se encontraron en los experimentos de dispersión. Se conoce como la " zoológico de partículas ". Ese término está desfasada y después de la formulación del Modelo Estándar durante la década de 1970 en la que el gran número de partículas se explicó como combinaciones de un (relativamente) pequeño número de partículas fundamentales.

Modelo Estándar

El estado muy actual de la clasificación de todas las partículas elementales se explica por el Modelo Estándar . En él se describe la fuerte, débil y electromagnética interacciones fundamentales, usando mediador bosones gauge. Las especies de bosones gauge son la gluones, W -, W + y bosones Z, y los fotones . El modelo estándar también contiene 24 partículas fundamentales, (12 partículas y sus anti-partículas asociadas), que son los constituyentes de toda la materia . Por último, el modelo estándar predice también la existencia de un tipo de bosón conocido como Bosón de Higgs.

Laboratorios experimentales

En la física de partículas, los grandes laboratorios internacionales se encuentran en la:

  • Laboratorio Nacional de Brookhaven, en ( Long Island, Estados Unidos ). Su instalación principal es el Relativista de Iones Pesados (RHIC), que choca iones pesados tales como iones de oro y protones polarizados. Es el primer colisionador de iones pesados en el mundo, y sólo colisionador de protones polarizada del mundo.
  • Budker Instituto de Física Nuclear ( Novosibirsk, Rusia ). Sus principales proyectos son ahora el electrón-positrón colisionadores VEPP-2000, en funcionamiento desde 2006, y VEPP-4, comenzaron los experimentos en 1994. Las instalaciones anteriores incluyen el primer electrón-electrón haz de rayo colisionador VEP-1, que llevó a cabo experimentos 1964-1968; el electrón-positrón colisionadores VEPP-2, operado desde 1965 hasta 1974; y, su sucesor VEPP-2M, realizó experimentos 1974-2000.
  • CERN, ( Franco - Suiza frontera, cerca de Ginebra ). Su principal proyecto es ahora la Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que tuvo su primera circulación haz el 10 de septiembre de 2008, y ahora es colisionador más energética del mundo de protones. También se convirtió en el colisionador más energética de iones pesados después de que comenzó chocar iones de plomo. Instalaciones anteriores se incluyen las Large Electron-Positron Collider (LEP), que fue detenido el 2 de noviembre de 2000 y luego desmantelado para dar paso a LHC; y la Súper Sincrotrón de Protones, que está siendo reutilizado como un pre-acelerador para el LHC.
  • DESY ( Hamburgo , Alemania ). Su instalación principal es el Hadron Elektron Anillo Anlage (HERA), que choca electrones y positrones con protones.
  • Fermilab, ( Batavia, Estados Unidos ). Su principal instalación hasta 2011 fue el Tevatron, que colisionó protones y antiprotones y fue el colisionador de partículas de más alta energía en el planeta Tierra hasta que el Gran Colisionador de Hadrones superó el 29 de noviembre de 2009.
  • KEK, ( Tsukuba, Japón ). Es el hogar de una serie de experimentos, como el Experimento K2K, una neutrino oscilación experimento y Belle, un experimento midiendo la CP violación de Mesones B.

Muchos otros existen aceleradores de partículas.

Las técnicas necesarias para hacer moderno, experimental, la física de partículas son muy variadas y complejas, lo que constituye una sub-especialidad casi completamente distinta de la parte teórica de la materia.

Teoría

Teoría cuántica de campos
Feynmann Diagrama Gluón Radiation.svg
Diagrama de Feynman
Historia

La física de partículas teórica intenta desarrollar los modelos, marco teórico, y herramientas matemáticas para entender los experimentos actuales y hacer predicciones para futuros experimentos. Ver también la física teórica. Hay varios esfuerzos interrelacionados importantes que se realizan en la física de partículas teórica hoy. Uno intentos sucursales importantes para comprender mejor el modelo estándar y sus pruebas. Mediante la extracción de los parámetros del modelo estándar, a partir de experimentos con menos incertidumbre, este trabajo explora los límites del Modelo Estándar y, por tanto, amplía nuestra comprensión de bloques de construcción de la naturaleza. Esos esfuerzos se hacen difícil por la dificultad de cálculo de las cantidades en cromodinámica cuántica. Algunos teóricos que trabajan en este ámbito se refieren a sí mismos como fenomenólogos y pueden utilizar las herramientas de la teoría cuántica de campos y la teoría de campo eficaz. Otros hacen uso de Teoría de Campo Reticular y llaman a sí mismos los teóricos de celosía.

Otro esfuerzo importante se encuentra en la construcción de modelos, donde constructores de modelos desarrollan ideas para lo que la física puede mentir más allá del Modelo Estándar (a energías más altas o las distancias más pequeñas). Este trabajo es a menudo motivado por la problema de la jerarquía y se ve limitada por los datos experimentales existentes. Puede implicar el trabajo en supersimetría, las alternativas a la Mecanismo de Higgs, dimensiones espaciales adicionales (como la Randall-Sundrum modelos), Preon teoría, combinaciones de éstos, u otras ideas.

Un tercer esfuerzo importante en física teórica de partículas es la teoría de cuerdas . Los teóricos de cuerdas intentan construir una descripción unificada de la mecánica cuántica y la relatividad general mediante la construcción de una teoría basada en pequeñas cadenas, y branas en lugar de partículas. Si la teoría es correcta, puede ser considerado como un " Teoría del Todo ".

También hay otras áreas de trabajo en física teórica de partículas que van desde la cosmología de partículas para la gravedad cuántica de bucles.

Esta división de esfuerzos en la física de partículas se refleja en los nombres de las categorías en el arXiv, un Archivo de preimpresión: hep-th (teoría), hep-ph (fenomenología), hep-ex (experimentos), hep-lat ( teoría del calibrador del enrejado).

Aplicaciones prácticas

Como las generaciones se basan en otros, las aplicaciones potenciales aumento en el uso de la tecnología de la física de partículas. En 1930, el primer ciclotrón de mano fue construido en Berkeley, California Ernest O. Lawrence. Más aceleradores potentes se construyeron poco después. El ciclotrón de Berkeley fue utilizado más adelante para producir isótopos médicos para la investigación y el tratamiento. La primera aplicación de esta tecnología en el tratamiento de cáncer era por el propio Lawrence con su propia madre como paciente. La ciencia médica ahora utiliza haces de partículas en las tecnologías que salvan vidas.

Esta tecnología también se utiliza en el superconductor de alambres y cables. Esto se utiliza para imanes resonancia magnética y en última instancia, la World Wide Web. Usos menos conocidos también incluyen el estudio del comportamiento de los fluidos y los movimientos.

Las aplicaciones adicionales se encuentran en la medicina, la seguridad nacional, la industria, la informática, la ciencia y el desarrollo laboral ilustran una larga y creciente lista de aplicaciones prácticas beneficiosas con las aportaciones de la física de partículas.

Futuro

El objetivo general que se persigue de varias maneras distintas, es encontrar y entender lo que la física puede mentir más allá del modelo estándar. Hay varias razones experimentales poderosas para esperar una nueva física, incluyendo la materia oscura y masa del neutrino. También hay consejos teóricos que esta nueva física debe ser encontrado en escalas de energía accesibles. Además, puede haber sorpresas que nos darán la oportunidad de aprender acerca de la naturaleza.

Gran parte del esfuerzo para encontrar esta nueva física se centran en nuevos experimentos de colisiones. La Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se completó en 2008 para ayudar a continuar la búsqueda del Bosón de Higgs, partículas supersimétricas, y otros nuevos física. Un objetivo intermedio es la construcción de la Colisionador Lineal Internacional (ILC), que complementará el LHC permitiendo mediciones más precisas de las propiedades de las partículas recién encontrados. En agosto de 2004, se tomó una decisión para la tecnología de la CIT, pero el sitio ha todavía Que se acuerden.

Además, existen importantes experimentos no colisionador que también tratan de encontrar y entender la física más allá del Modelo Estándar. Una importante esfuerzo no colisionador es la determinación de la masa de los neutrinos, ya que estas masas pueden surgir de neutrinos mezclado con partículas muy pesadas. Además, cosmológicos observaciones proporcionan muchas limitaciones útiles sobre la materia oscura, aunque puede ser imposible determinar la naturaleza exacta de la materia oscura y sin los colisionadores. Por último, los límites inferiores en el muy largo curso de la vida del protón poner limitaciones en Teorías de Grand Unified a escalas de energía mucho más altos que los experimentos de colisiones podrán investigar cualquier momento pronto.

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