Física de Parículas - Un mundo infinito

(Obviad la errata de la "t" )
Buenas tardes MediaVida.

Me he decidido a abrir un nuevo thread, esta vez para explicar un poco más detenidamente la Física de Partículas y hablar de los distintos elemento que componen la materia.

Debo decir que todo lo que sigue a continuacón son recopilatorios sacados de internet.

Como siempre empezaremos un una beve introducción histórica.

El interés por descubrir la constitución interna de la materia se remonta a los filósofos griegos. De entre ellos, los primeros que creyeron en una organización interna fueron Leucipo y Demócrito, que postularon una estructura basada en la existencia de átomos ("sin partes" en griego). La hipótesis de de estos filósofos se abandonó hasta que a principios del siglo XIX fue recuperada por John Dalton, con el establecimiento de su teoría atómica. En ella Dalton postulaba que la materia estaba formada por partículas pequeñas denominadas átomos, que éstas eran indivisibles e indestructibles, que todos los átomos de un elemento eran iguales entre sí y diferentes de los átomos de los demás elementos y que los átomos se unían entre sí para formar compuestos químicos.

Antes de adentrarnos en la partículas deberíamos tener claras varias cosas y una de ellas son las magnitudes. Tomando como ejemplos las distancias las diferentes órdenes de magnitud en que se puede desglosar el estudio de las diferentes partes de la naturaleza son las siguentes:

10^26m Universo conocido
10^21m Galaxia (vía láctea)
10^18m Distancia sol a -centauri
10^12m Distancia neptuno a la Tierra
10^6m Diámetro de la tierra
10^0m Escala humana
10^?6m Células
10^?10m Átomo
10^?15m Núcleo y partículas elementales
10^?35m Distancia de Planck

Bien teniendo eso podemos seguir adeante.

Clasificación de las partículas subatómicas

Actualmente hay dos criterios básicos para la clasificación de partículas subatómicas: según el valor de su

y según su estructura.

Tras lo que acabamos de ver, los hadrones no se pueden considerar partículas elementales, ya que tienen una estructura interna y pueden desintegrarse convirtiéndose en otras partículas. Ahora surge la pregunta: ¿de qué están compuestos los hadrones?

En 1964 Murray Gell-Mann y Georges Zweig propusieron una teoría para explicar la constitución interna de los hadrones: la teoría de los quarks. Según esta teoría los hadrones están compuestos de otras partículas elementales, que denominaron quarks (al parecer por influencia de un párrafo de la de James Joyce , Finnegan's Walk).

Los quarks propuestos presentan propiedades peculiares; en espacial, con relación a la carga del protón, tienen carga fraccionaria. Además, retomando la simetría partícula/antipartícula se encontró que a cada quark le correspondía su antiquark.

Inicialmente Gell-Mann y Zweig propusieron un modelo de tres quark y sus correspondientes antipartículas, pero posteriormente se ha ampliado a seis quarks y seis antiquarks. Cada tipo de quark se denomina sabor. Hay pues seis "sabores" de quarks. Toda partícula conocida se podía describir como una combianción de quarks y antiquarks. La tabla siguiente presenta las características más importantes de los quarks.

Los quarks están fuertemente ligados entre sí y confinados dentro de los hadrones y no se han logrado aislar, aunque si se han detectado indicios de su existencia mediante aceleradores de partículas de muy alta energía.

Hay pues doce partículas elementales constituyentes de la materia: seis leptones y seis quarks. Además existen sus correspondientes antipartículas, con lo que en total tendríamos veinticuatro. Todos los hadrones son combinaciones de quarks. Los mesones estarían formados por un quark y un antiquark, mientras que los bariones están formados por la combinación de tres quarks.

En la materia ordinaria sólo hay cuatro partículas: dos leptones (el electrón y el neutrino electrónico) y dos quarks (u y d). Las demás partículas sólo se observan en la radiación cósmica que alcanza la Tierra o en un laboratorio de alta energía.

Los quarks tienen además otras propiedades interesantes, aunque de muy difícil explicación y a las que se les ha denominado con nombre tan originales como belleza, color, encanto. Así la propiedad color tiene que ver con la fuerza que mantiene unidos a los nucleones. Hay tres variedades de color de quarks, rojo verde y azul. Cuando tres quarks se combinan para formar un barión, cada uno de ellos debe tener un color diferente para que los tres nos dé el color blanco. Evidentemente esto no tiene nada que ver con los colores naturales, y se ha denominado así metafóricamente; lo que significa es que la combinación de esa propiedad de los quarks debe ser nula.

Tras esa pequeña introducción a las particuas y su explicación nos adentraremos en la explicación de las interacciones fundamentales en la naturaleza.

En la actualidad, todas las fuerzas o interacciones de la naturaleza se pueden agrupar en cuatro tipos básicos, denominados interacciones fundamentales:

Interacción gravitatoria. Se da entre todas las partículas y se describe mediante la teoría de la relatividad general de A. Einstein o más fácilmente mediante la ley de gravitación universal de Isaac Newton. Gracias a ella se pueden explicar fenómenos como la caída de los cuerpos o el movimiento de los planetas, satélites, estrellas, cometas, etc. Su alcance es infinito y actúa a grandes distancias. Es la interacción más débil de todas, pero es la responsable de la estructura general del Universo. Es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas y es conservativa.

Interacción electromagnética. La interacción electromagnética afecta a las partículas con carga eléctrica o con momento magnético, así como a los fotones. Su descripción se hace a partir de las leyes de Maxwell y su alcance es infinito. Gracias a ella se pueden explicar fenómenos tan diversos como los eléctricos, los magnéticos, la interacción entre la luz y la materia, las ondas electromagnéticas , las fuerzas elásticas que se dan en un muelle, la estructura interna de la materia a escala atómica y molecular, así como la química. Es una interacción inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas y es conservativa.

La interacción electromagnética explica la estructura cristalina

Interacción nuclear débil. La interacción nuclear débil se produce entre partículas leptónicas o hadrónicas. Explica algunos procesos nucleares, como la desintegración b de los núcleos, en la que un neutrón se transforma en un protón y un electrón, generándose también un antineutrino electrónico. También explica las transformaciones entre leptones, como la desintegración del tauón. Su intensidad es mucho mayor que la fuerza gravitatoria, pero es menor que la fuerza electromagnética. También se denomina interacción débil.

Interacción nuclear fuerte. La interacción nuclear fuerte afecta a los quarks, y por tanto, a los hadrones. Es la más intensa de las cuatro y se denomina también interacción fuerte o interacción hadrónica. Su alcance es muy corto, reduciéndose prácticamente a cero para distancias superiores a 10^-15 m, por lo que no tiene influencia en la Química, por ejemplo. Gracias a esta interacción se puede explicar la estabilidad nuclear y muchos procesos nucleares.

Ahora toca hablar de las Interraciones y las particulas en concreto.

Cuando se aplican los principios de la Física cuántica al estudio de las partículas subatómicas se explica la interacción entre dos partículas por el intercambio de una tercera, que recibe el nombre de partícula de campo o bosones gauge. Es esta partícula la que origina la fuerza o interacción entre las dos partículas materiales. Esta idea de transmisión de la fuerza mediante una partícula inermedia se debe a Hideki Yukawa, que en 1934 propuso la existencia de una partícula, el mesón p o pión, para describir la interacción entre los nucleones. Según esta hipótesis, cada nucleón está emitiendo y reabsorbiendo continuamente piones virtuales, los cuales lo rodean como un enjambre. Cuando están cerca, dos nucleones intercambian un pión. La transferencia de momento lineal produce un efecto de fuerza.

Los nucleones emisores no pierden masa, luego a los piones virtuales sólo se les permite su breve existencia por el principio de incertidumbre. Para crear "piones reales", la masa que se pierde se debe suministrar por la energía de un choque.

Actualmente se denominan gluones a las partículas intermedias responsables de la interacción fuerte. En el siguiente esquema se muestra como un quark u rojo se convierte en un quark u azul y viceversa, mediante un gluón intermedio; mediante este proceso se explica la interacción fuerte.

Se cree que todas las fuerzas fundamentales son transportadas por partículas de intercambio. El fotón es la partícula intermediaria de las fuerzas electromagnéticas; la fuerza entre dos partículas cargadas se produce por intercambio de fotones entre ellas. Así, los electrones se repelen unos a otros intercambiando fotones virtuales. Este proceso se puede representar utilizando un diagrama de Feynman, como el siguiente. Para que existan fotones "reales" se debe suministrar energía.

En el caso de la interacción débil las partículas intermediarias son los denominados bosones vectoriales W^-, W⁺ y Z^0, detectados por primera vez en el CERN, por Carlo Rubbia y Simon Van der Meer en 1983. El esquema siguiente representa una desintegración b: un quark d se transforma en un quark u, emitiendo un bosón vectorial W^-, el cual se desintegra en un par electrón y antineutrino (para conservar el número leptónico).

En el caso de la atracción gravitatoria la partícula mediadora sería el gravitón, pero no existen evidencias concluyentes de su existencia y su existencia sólo es una hipótesis de trabajo.

Aclaraciones sobre el post en #6

Y eso es por hoy xD. Lamento muchisimo no poder meter toda la info, pero es que es tan extensa. Solo espero haber tocado la fibra cuántica de algunos de vosotros e indagueis en ese mundo.

Otra vez espero haberlo hecho bien.

P.D.:Cualquier error o errata avisadme, que me tengo que poner a estudiar xD.