Quarks

Física Atómica y Nuclear. Partículas elementales. Bombardeo núcleo atómico. Hadrones. Antimateria. Fotón. Neutrino

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Quarks: y otras particulas elementales.

Partículas elementales:

Este termino se usa para designar a las partes más pequeñas de la materia, a principios de siglo se creían que eran los átomos, pero avances en el área de la electrónica y radiactividad han demostrado lo contrario.

En 1897 el físico J. J. thomson descubrió el electrón, partícula de carga negativa, que está en las capas exteriores del átomo. En 1920 se descubrió una partícula de carga positiva llamada protón, más tarde en1932, se descubrió una de carga neutra, llamada neutrón. Estas tres clases de partículas componían el modelo atómico de bohr, mediante este modelo, se podían descubrir los átomos que conforman la materia, o sea, los elementos químicos.

Pero esta teoría no explicaba el resultado de ciertos experimentos, hasta que algunos científicos postularon la existencia de partículas más pequeñas. A. M. Dirac postuló que existía una partícula con la misma masa del electrón, pero con carga positiva, el positrón. Esta teoría de demostró en 1932 con la radiación cósmica, cuando un electrón y un positrón chocan, se destruyen, y producen una radiación de aniquilación. Las partículas que desaparecen al chocar se llaman antipartículas, los antiprotones se descubrieron en 1955 y los antineutrones en 1956. Estos trabajos pudieron encontrar la antimateria, y posteriormente crearla en los laboratorios.

Los científicos encargados de estudiar la materia a pequeña escala, han descubierto muchas nuevas partículas pero la mayoría tiene una vida muy corta y rápidamente se convierten en otras partículas o se transforman en radiación.

Las propiedades de las partículas elementales se estudian bombardeando con ellas núcleos a atómicos u otras partículas, después de acelerarlas para darles gran energía. Las partículas utilizadas se obtienen de la radiación cósmica u otras veces de un acelerador. Después pasan por un detector donde chocan con otras partículas, los choques de estas y los cuerpos resultantes de estas interacciones violentas, se ven como trazas en una placa fotográfica, o como liquido en una cámara de burbujas, o como una nube un una cámara de niebla o expansión.

En la actualidad se sabe que estas partículas (más de cien) están compuestas por otras más pequeñas llamadas quarks, encuadradas en 3 familias. Es decir, que la materia está compuesta por leptones (electrón y su neutrino electrónico) y quarks (up y down, en el protón y neutrón , o sea, en los nucleones).

Con la detección de quark top en 1995 se inicia para los físicos de partículas la tarea de explicar el origen de la masa de las partículas elementales. El primer obstáculo es la confirmación de la existencia de la partícula higgs, para lo cual Europa se afana por construir el gran acelerador de partículas LHC(CERN).

Las fuerzas fundamentales:

-La interacción gravitatoria o Gravedad actúa sobre todas las partículas confiriendo cohesión a la materia. Es de largo alcance y es la interacción que domina entre los cuerpos del universo.

-La interacción electromagnética se basa en la atracción que experimentan las cargas de signo distinto. Es la interacción que permite mantener ligados los átomos.

-La interacción fuerte actúa en el interior del núcleo atómico y, a pesar de que las cargas de igual signo se repelen, permite mantener unidos los protones y los neutrones.

-la interacción débil es la responsable de la desintegración radiactiva de algunos núcleos. A energías muy altas la interacción débil y la electromagnética parecen estar ligadas íntimamente.

interacción

ejemplo

alcance

Intensidad relativa (a la interacción fuerte)

Cuanto mediador

Masa del mediador

Spin del mediador

Detección experimental del cuanto

gravitatoria

Cosmos

infinito

10-38

gravitón

0

2

No

Electromagnética

-átomos

-moléculas

infinito

10-2

Fotón

0

1

Si

Fuerte

Núcleos

10-31 cm

1

gluones

0

1

indirecta

débil

Desintegraciones nucleares

<10-15 cm

10-12

W+ , W-, Z°

Mw"=

=80,9

Mz0=93

1

Si

Tipos de partículas elementales:

Leptones:

Electrón

Muón

Tau

Neutrino electrónico, muonico, tauonico

Quarks:

down

Up

Strange

Charm

Bottom

Top

Otros:

Gluones

Fotón

Bosones

Vectoriales

Bosón Z

Higgs no han sido observadas experimentalmente.

Gravitón

Quark:

Cada una de las seis partículas elementales, que con sus antipartículas forman los Bariones y los Mesones.

La materia está formada por quarks y leptones, los quarks forman protones y neutrones, y los leptones, cosas como los electrones y su neutrino., además existe una tercera partícula que actúa transmitiendo las fuerzas que actúan en quarks y leptones, llamadas bosones, que forman por ejemplo; el fotón, que es el encargado de transmitir la interacción electromagnética.

Se ha descubierto que los hadrones no son partículas elementales, y están constituidos por quarks.

Existen 3 familias de quarks y cada una posee dos tipos distintos, cada familia posee una masa que duplica a la anterior.

La primera familia está formada por los quarks up (u) y down (d), el quark up, tiene una masa de 4 millones de electrón-voltios (MeV) aproximadamente 1/250 veces la masa del protón, el quark down tiene 8 MeV.

La segunda familia está formada por el quark strange (s) y charm (c) cuyas masas son de 200 y 1.500 MeV respectivamente.

La tercera familia está formada por el bottom (b) y top (t) quarks, el primero tiene 5.500 MeV y el segundo 199 GeV.

La carga eléctrica de los quarks es fraccionaria, el up quark tiene una carga fraccionaria de 2/3 y el down quark de -1/3, el protón consta de un up quark y un down quark, lo que suma una carga total de 1/3, el neutrón tiene dos up quarks y un down quark, por lo tanto tiene una carga nula.

Solo las dos primeras familias de quarks y leptones, forman la materia ordinaria, el resto solo se observa fugazmente en los grandes colisionadores.

Los diversos quarks se pueden combinar para crear todas las partículas conocidas, salvo los leptones y bosones, de manera que el protón resulta u d d, el neutrón u d d, etc.

Además suponiendo que entra la masa del d y u quarks hay 4 MeV y la de los s y c quarks, hay 150 MeV, se puede dar una aproximación muy buena de todas las partículas. Esto no explica por que existen partículas creadas solo por 2 quarks ni tampoco por que no se pueden observar aislados. Fue necesaria la introducción de los números cuánticos, como el color, cuyos valores son de r, a y v, y el sabor, que caracterizan muchas partículas.

La búsqueda de los quarks:

La estructura de los detectores empleados en los laboratorios de todo el mundo, dedicados al estudio de nuevas partículas elementales, permite seguir el camino dejado por estas en las colisiones y deducir así las propiedades que las caracterizan. Como los quarks no pueden ser aislados, su existencia solo puede ser deducida a partir de trazas de partículas formadas por tres quarks (Bariones) o por una par de quarks-antiquark (mesones).

Murray Gell-Mann:

Físico estadounidense, premio Nobel en física en 1969, postuló la existencia de partículas elementales constituyentes de la materia hadronica que hoy conocemos como quarks.

Leptón:

Es una Partícula elemental ligera, es decir, de masa inferior al protón. Un ejemplo de ella es el electrón y el positrón.

Mesón:

Partícula elemental sometida a las interacciones fuertes de spin entero y carga barionica nula.

Los mesones se detectan en la cámara de wilson, o bien mediante placas fotográficas especiales, existen varios tipos: los mesones  (piones) poseen una masa 273 veces superior a la del electrón y una vida media del orden 10-8 segundos. Los mesones (muones, positivos o negativos) poseen una masa 208 veces mayor que el electrón y una vida media de 10-6 segundos. Los mesones de tipo K (kaones o mesones pesados) poseen una masa 966 veces mayor que el electrón y una vida media de 10-10 segundos.

Spin:

Momento cinético intrínseco de las partículas elementales. Los valores del spin se hallan cuantificados y toman valores que son múltiplos enteros o semienteros de h/2 donde h es la constante de planck. El spin del electrón vale ½.

Hadrones:

Bariones estables:

Partícula:

Masa (MeV/c2):

Spin:

Composición en quarks:

Vida media (segundos):

Carga:

P

938.28

½

U u d

>x10 32 años

1

n

939.57

½

U d d

898 " 16

0

1 115.60

½

U d s

2,36 * 10-10

0

"+

1 189.36

½

U u s

0,8 * 10-10

1

1 192.46

½

U d s

5,8* 10-10

"-

1 197.34

½

D d s

1,48* 10-10

-1

1 314.9

½

U s s

2,9* 10-10

0

 -

1 321.32

½

D s s

1,64* 10-10

-1

-

1 672.45

3/2

S s s

0,82* 10-10

-1

;

2 282.2

½

U d c

2,3* 10-13

1

Mesones estables:

antipartícula

masa

spin

composición

Vida media

carga

+(-)

139.57

0

Du (ud)

2,6* 10-8

1(-1)

134.96

0

Uu/dd

0,87* 10-16

0

K-(K+)

493.67

0

Us (us)

1,24* 10-8

-1(1)

(K°)

497.72

0

Ds (ds)

0,89* 10-10(Kl)

5,18* 10-8(Ks)

0



548.8

0

Uu/dd/ss

0,7* 10-18

0

Esta tabla recoge las principales partículas susceptibles a sufrir interacciones fuertes (hadrones) que se pueden obtener con la combinación de tres quarks entre si (Bariones) o de un par de antiquarks (mesones).

Antimateria.

Es la materia constituida por antipartículas, es decir, materia en que cada partícula ha sido remplazada por su antipartícula correspondiente.

La existencia de la antimateria se remonta a 1928 a raíz de las teorías de Dirac acerca de las antipartículas, fue confirmándose a medida que se hacían múltiples descubrimientos y experimentos y adquirió ya la absoluta aceptación cuando se pudieron crear las tres antipartículas, antiproton, antineutron y el positrón. En 1971, en serpukof, Rusia, un grupo de científicos creó el antihelio-3, este grupo estaba dirigido por el profesor yuri prokochkin.

Antipartículas.

Es la partícula elemental que cuando choca con su partícula correspondiente, se destruyen liberando energía en forma de fotones.

Fotón.

Es una partícula con masa, cantidad de movimiento y carente de carga, que consiste en un paquete de energía asociado a las ondas electromagnéticas en su acción mutua con la materia. El aspecto fotónico de la energía radiante solo se manifiesta cuando la frecuencia es próxima o superior a la de la luz. Por este motivo existen fotones de la luz, de rayos x, de rayos gamma, etc.

Neutrino:

Es una partícula subatomica (menor que el electrón) y carente de carga.

El neutrón no se desintegra en el núcleo estable sino solo cuando está aislado, dando ligar a la llamada radiactividad . A causa de esta desintegración el núcleo se descompensa y se separa en dos núcleos más estables, la energía que sobra se transmite en radiación electromagnética, también conocida como rayos gamma.

El físico alemán wolfgang pauli postuló en 1931la existencia de una partícula carente de carga eléctrica, el neutrino, que interacciona de forma muy leve con la materia, su masa es extremadamente pequeña, esta partícula trata de explicar la perdida de energía en la desintegración del neutrón.

El spin del neutrino es ½ al igual que el electrón , el protón y el neutrón. Existen tres tipos de neutrinos, uno por cada tipo de Leptón, el neutrino muonico, el tautónico y el electrónico.

El neutrino es tan pequeño, que su detección es muy difícil, es tan pequeño, que la materia no es un obstáculo, los neutrinos provenientes del sol durante el día nos llegan desde arriba, pero durante la noche desde abajo, ya que la tierra no es un obstáculo la atraviesan limpiamente.

La detección experimental fue muy difícil, se tuvo que producir enormes cantidades de neutrinos y hacerlos interaccionar con una solución de cadmio.

El estudio de los neutrinos producidos por las estrellas ha sido muy importante para saber sobre su origen, ya que estas producen grandes flujos de neutrinos, además la astrofísica aprovecha estas partículas como datos para conocer el interior de los cuerpos celestes,. La nueva rama de la astronomía, la neutrinoastronomía, ha dado sus primeros frutos, que fue descubrir la temperatura interior del sol.