Partículas fisicas
La física de partículas es la rama ( experimental y teórica ) de la física moderna que estudia los componentes fundamentales y las interacciones de la materia y la radiación . En ocasiones también se utiliza la expresión física de alta energía , refiriéndose a los estudios de partículas creadas en aceleradores de muy alta energía y no presentes en la naturaleza en condiciones ordinarias: estos experimentos han permitido verificar nuevas teorías y dan un importante punto de partida para el desarrollo de nuevos modelos. . en la física teórica .
La física de partículas ha reemplazado el término "física subnuclear" porque este último se refería al estudio de partículas dentro del núcleo, mientras que hoy la mayoría de las partículas conocidas no son constituyentes nucleares.
Historia
La idea de que la materia está compuesta de partículas elementales se remonta al menos al siglo VI a. C. y nació en un contexto filosófico-materialista. La doctrina filosófica del "atomismo" fue estudiada por filósofos griegos antiguos como Leucipo , Demócrito y Epicuro . Aunque Isaac Newton en el siglo XVII ya pensaba que la materia estaba compuesta de partículas, fue John Dalton quien en 1802 argumentó formalmente que la materia estaba compuesta de pequeños átomos.
La primera tabla periódica de Dmitri Mendeleev de 1869 ayudó a cimentar este punto de vista, que prevaleció durante todo el siglo XIX . El trabajo de Joseph Thomson estableció que los átomos estaban compuestos de electrones ligeros y protones masivos. Ernest Rutherford estableció que los protones estaban concentrados en un núcleo compacto. Inicialmente se pensó que el núcleo estaba compuesto por protones y electrones confinados (para poder explicar la diferencia entre carga eléctrica y peso atómico), pero más tarde se descubrió que estaba compuesto por un núcleo de protones y neutrones y electrones que orbitaban allí. alrededor.
En las décadas de 1950 y 1960 , se desarrollaron máquinas capaces de producir y detectar una asombrosa variedad de partículas. Estos fueron conocidos como el "zoológico de partículas". Este término se abandonó después de la formulación del modelo estándar, durante la década de 1970 , en el que este gran número de partículas se explicaba en términos de la combinación de un número (relativamente) pequeño de partículas fundamentales.
Descripción
Concepto de partículas en la física moderna
Estrictamente hablando, el término partícula entendida como objeto puntual no representa completamente todas las características propias del comportamiento de los constituyentes elementales de la materia y de la radiación a altas energías o pequeñas distancias. Las teorías estudiadas por la física de partículas siguen los principios de la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos . Basado en la dualidad onda-partícula , los electrones exhiben comportamientos de partículas bajo ciertas condiciones experimentales y comportamientos de ondas en otras. Matemáticamente, las partículas elementales no se describen ni como ondas ni como partículas, sino como un vector de estado de un espacio de Hilbert , llamado función de onda . Siguiendo las convenciones de los físicos de partículas, usaremos "partículas elementales" para referirnos a electrones y fotones, sabiendo muy bien que estas "partículas" también exhiben propiedades de onda.
Detección de partículas: colisiones y aceleradores
El principio físico para el estudio de nuevas partículas es el simple de las colisiones de alta energía: al chocar unas con otras partículas con alta energía cinética , oa velocidades cercanas a la velocidad de la luz , el producto (síntesis) puede ser, por equivalencia entre masa y energía , una nueva partícula con mayor masa que eventualmente se desintegra en otras partículas hijas. A partir del análisis de estas desintegraciones, es posible rastrear las características de la partícula madre.
En general, hay dos formas posibles de detectar nuevas partículas subatómicas que aún utilizan detectores de partículas :
- Detectores pasivos terrestres (por ejemplo, cámara de niebla y cámara de burbujas ) que explotan colisiones naturales de alta energía entre rayos cósmicos de alta energía y la atmósfera terrestre, detectando sus productos o desintegraciones o colocados en órbita en un satélite artificial : este es la óptica en la que se mueve la astrofísica de partículas . Estas colisiones, sin embargo, son poco frecuentes en comparación con las que pueden producirse en el laboratorio mediante aceleradores de partículas, pero tienen la ventaja de disponer de energías muy elevadas de forma natural.
- uso de aceleradores de partículas cargadas para producir haces de partículas de alta energía, que luego chocan entre sí, detectando sus productos en detectores especiales ( colisiones artificiales ). En este caso la ventaja radica en el brillo y la frecuencia de colisión, que es mayor y más controlable.
Modelo estandar
Las partículas observadas y sus interacciones pueden describirse con una buena aproximación mediante una teoría cuántica de campos llamada Modelo Estándar, que a menudo se considera el mayor logro de la física teórica de partículas y que también representa la clasificación actual de partículas conocidas.
El modelo describe todos los constituyentes de la materia física y todas las interacciones fundamentales conocidas, con la excepción de la gravedad , y ha tenido pruebas experimentales extraordinarias con la predicción de partículas descubiertas realmente desde la década de 1960 . Las predicciones del modelo estándar han sido cuidadosamente verificadas por todos los experimentos realizados, en particular con las medidas de precisión realizadas en la LEP del CERN .
En particular, describe la fuerza nuclear fuerte , la fuerza nuclear débil y el electromagnetismo (tres de las cuatro fuerzas fundamentales ) a través de bosones mediadores, conocidos como bosones gauge . Los bosones son: fotones , W - bosones, W + bosones, los bosones Z y gluones . El modelo también contiene 24 partículas fundamentales, que son los constituyentes de la materia. Finalmente, predice la existencia de un tipo de partícula escalar conocida como bosón de Higgs , teorizada durante años por los físicos y finalmente descubierta en 2012 en los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones .
El Modelo Estándar representa un ejemplo de unificación de interacciones fundamentales : como las ecuaciones de Maxwell permitieron unificar interacciones eléctricas y magnéticas en una sola interacción electromagnética , en el Modelo Estándar las interacciones electromagnéticas y débiles se unifican en una única interacción electrodébil .
Sin embargo, muchos físicos de partículas creen que este Modelo en realidad representa una descripción incompleta de la naturaleza física y que aún queda por descubrir y elaborar una teoría aún más fundamental. De hecho, el Modelo Estándar no proporciona la unificación de la interacción fuerte con el electrodébil ( teoría de la gran unificación ) y no es capaz de comprender la gravedad ( teoría del todo ), cuyo tratamiento en la relatividad general no es compatible con la mecánica cuántica. . . Además, el Modelo Estándar no proporciona ninguna explicación para la asimetría bariónica , es decir, es incapaz de explicar la ausencia casi total de antimateria en el universo. Finalmente, la materia oscura no puede consistir en ninguna partícula descrita por el modelo estándar.
Por lo tanto, los desarrollos posteriores deberán incluir una teoría cuántica de la gravitación para la unificación definitiva de las tres fuerzas también mencionadas con la gravedad: la relatividad general se basa de hecho en el modelo "clásico" del espacio-tiempo continuo en el que el valor del campo gravitacional puede asumir un valor arbitrario poco. Por lo tanto, es incompatible con el modelo estándar donde la intensidad de los campos depende de las partículas involucradas y, por lo tanto, asume solo ciertos valores.
No obstante, durante unos treinta años el modelo estándar ha proporcionado resultados compatibles con la evidencia experimental; Solo recientemente algunas observaciones astronómicas sobre la materia oscura y sobre el corrimiento hacia el rojo de los cuásares más distantes, junto con algunos resultados experimentales sobre la masa del neutrino y sobre la medición del momento magnético del muón, han introducido la duda de que esto no es un completo. modelo.
La física de partículas y el Universo
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La Física de Partículas, es decir, la física de lo infinitamente pequeño, está estrechamente correlacionada con la Cosmología , es decir, la física de lo infinitamente grande, ya que la densidad de energías involucradas en la Física de Altas Energías (por ejemplo, en aceleradores) son comparables a las que estaban presentes en la física primordial. Universo , pudiendo así estudiar las características físicas en términos de partículas e interacciones. Muchas de las principales preguntas que se plantea la física de partículas también tienen interés en comprender mejor el Universo, sus orígenes y su destino. Entre estos:
- El bosón de Higgs , es la última partícula faltante predicha por el modelo estándar de la física, y el pivote que mantiene unido ese conjunto de ecuaciones de décadas de antigüedad: por medio del campo homónimo daría masa a todas las demás partículas desde el primer momento. momentos de la vida del Universo y por eso se le llama la Partícula de Dios . Hace su aparición experimental en 2012, en el túnel circular de 27 kilómetros de largo del Gran Colisionador de Hadrones. * La asimetría entre materia y antimateria ( violación CP ) estudiada en varios experimentos de física de partículas podría proporcionar información útil para comprender por qué el Universo ha evolucionado. , partiendo del Big Bang , de tal manera que hay casi exclusivamente materia y no antimateria presente .
- La materia oscura presente en el Universo, cuyo origen se desconoce, podría explicarse por la presencia de nuevos tipos de partículas que podrían producirse en el laboratorio del LHC . El destino del Universo podría depender de su existencia o no, gracias a la falta de masa crítica capaz de detener su expansión, produciendo una posterior contracción y un nuevo Big crunch .
Investigación científica
Centros de investigación
En el campo de la física de partículas, los principales centros de investigación experimental son:
- CERN , ubicado en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra . Donde se instaló el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP), ahora desmantelado y reemplazado por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).
- El DESY , ubicado en Hamburgo , Alemania , es el hogar del HERA, que colisiona electrones o positrones con protones.
- El SLAC , en Stanford en California ( Estados Unidos ), que alberga al PEP-II, que colisiona electrones y positrones.
- Fermilab , de Chicago , EE. UU., Con el Tevatron , que colisiona con protones y antiprotones.
- Laboratorio Nacional de Brookhaven , en Long Island , donde se encuentra el Colisionador de Iones Pesados Relativista , que colisiona iones pesados (como iones de oro) con protones.
- Los Laboratorios Nacionales Frascati de INFN en Italia, donde tiene su sede DAFNE , el acelerador para la colisión de electrones y positrones.
- Los Laboratorios Nacionales Gran Sasso , los laboratorios subterráneos más grandes del mundo, se utilizan sobre todo para la detección de partículas de origen astronómico, incluidos los neutrinos .
Además de estos, existen muchos otros laboratorios nacionales e internacionales, que albergan uno o más aceleradores de partículas .
En Italia
Italia juega un papel de liderazgo en la física de partículas al participar con importantes cargos de responsabilidad en la implementación e investigación llevada a cabo en los proyectos más importantes de física de partículas. La investigación en esta área está financiada en gran parte en Italia por elInstituto Nacional de Física Nuclear (INFN), que colabora con docenas de departamentos de física de las distintas universidades italianas.
En 1984, el italiano Carlo Rubbia recibió el Premio Nobel de Física por la confirmación experimental de los bosones W y Z en el CERN de Ginebra.
Italia es miembro fundador del CERN y ha tenido la dirección general del laboratorio en tres ocasiones ( Carlo Rubbia , de 1989 a 1993 , Luciano Maiani de 1999 a 2003 , Fabiola Gianotti de 2015).
Financiamiento internacional de grandes proyectos
La física de partículas ha estado investigando fenómenos que ocurren a energías cada vez mayores a lo largo de los años. Para hacer esto con aceleradores, se requieren equipos cada vez más complejos y grandes. El proyecto más grande, que se está completando en el CERN , es el acelerador LHC , cuyo costo alcanza varios miles de millones de euros . Incluso si este gasto se distribuye en un período de más de una década, necesario para su realización, la viabilidad de proyectos de este tamaño solo es posible gracias al aporte financiero de decenas de naciones.
Los países financiadores han demostrado en varios casos que están atentos al gasto en grandes proyectos de investigación. Por ejemplo, en 1993 , el Congreso de los Estados Unidos detuvo la construcción del Super Colisionador Superconductor , después de que ya se habían invertido 2.000 millones de dólares. Este acelerador, de hecho, habría constituido un "doble" respecto al LHC, y, aunque hubiera permitido alcanzar energías superiores al LHC , este último pudo reutilizar todas las obras de ingeniería civil del anterior acelerador LEP . construido en un largo túnel subterráneo 27 km .
Secuelas tecnológicas
El gasto público para financiar grandes proyectos de investigación, sin embargo, suele tener importantes repercusiones tecnológicas positivas, incluso en sectores distintos a los que las actividades de investigación tienen como finalidad principal.
Entre las aplicaciones que han surgido del entorno de investigación de la física de partículas se encuentran:
- la World Wide Web , nacida en el CERN para mejorar las herramientas de comunicación científica, el protocolo HTTP y el lenguaje HTML ;
- detectores de partículas utilizados para diagnósticos médicos; [1]
- hadronterapia , que supuestamente cura el cáncer mediante el uso de aceleradores . Gracias a la capacidad de controlar con precisión la energía y la localización de las partículas aceleradas, es posible depositar dosis de radiación de manera controlada para destruir las células cancerosas sin dañar los tejidos circundantes;
- Tomografía por emisión de positrones , o PET, una herramienta de diagnóstico médico que utiliza antimateria .
Nota
Artículos relacionados
- Modelo estandar
- Partículas subatómicas
- Partículas fundamentales
- Lista de partículas
- Antimateria
- Acoplanaridad
- ICHEP
Otros proyectos
-
Wikimedia Commons contiene imágenes u otros archivos sobre física de partículas
enlaces externos
- Historia de la física de partículas elementales , en fisicaparticelle.altervista.org . Obtenido el 10 de septiembre de 2009 (archivado desde el original el 31 de agosto de 2009) .
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