Partículas Elementales/Laura Monge

Universidad Estatal a Distancia

Vicerrectoría Estatal a Distancia

Escuela de Ciencias Exactas y Naturales

FÍSICA MODERNA

Código: 3182

PARTÍCULAS ELEMENTALES

Elaborado por: 

Carmen Morales
Jessica Martínez
Laura Monge Arias

II / CUATRIMESTRE / 2012

Después de mucho tiempo donde se considero como partículas que forman la materia a los electrones, protones y neutrones; se realizaron investigaciones donde se descubrieron nuevas partículas que según sus características se consideraron elementales.

Estas partículas nuevas se encontraron gracias a las colisiones de partículas de alta energía y se reconocen 12, divididas en dos familias los leptones y quarks.

A continuación se presentan algunos detalles característicos de las principales partículas y familias de partículas que se encuentran en la naturaleza:

Bariones y mesones

En la naturaleza se dan partículas formadas por combinaciones de tres quarks o por combinaciones de un par quark y anti-quark (anti-quark es la antipartícula del quark). Estos grupos así formados se llaman Bariones y Mesones respectivamente.  

 

Bosones y fermiones

Según la propiedad cuántica llamada spin, las partículas se clasifican en Bosones (si tienen spin entero) o fermiones (si tienen spin semi-entero). El electrón es un ejemplo de un fermión, mientras que las partículas portadoras de una interacción son bosones.

Electrón

Descubierto en 1897 por el físico inglés J. J. Thomson (1856 - 1940). Los electrones son partícula con carga eléctrica negativa que dan origen a la electricidad cuando fluyen en un conductor. El electrón pertenece a la familia de los leptones.

Gluón

Es la partícula portadora de la interacción nuclear fuerte.

Gravitón

Partícula portadora de la interacción gravitacional.

Leptón

Según el modelo estándar las partículas elementales han sido agrupadas en dos grandes familias: los quarks y los leptones. Los leptones son partículas muy ligeras que siempre interactúan por medio de la fuerza nuclear débil y si tienen carga también sienten la interacción electromagnética, pero nunca sienten la interacción nuclear fuerte. Ejemplos: el electrón, el muón, el tau y el neutrino.

Neutrino

Un neutrino es una partícula de masa nula (o muy cercana a nula) que no tiene carga y no siente la fuerza nuclear fuerte. Fue propuesto por Wolfgang Pauli en 1930 y descubierto en 1956 por Fred Reines y Clyde Cowan. En el universo hay muchos neutrinos, pero como éstos no sienten la fuerza nuclear fuerte ni la fuerza electromagnética, es muy difícil detectarlos.. Estas partículas pueden constituir gran parte de la materia oscura del universo.

Neutrón

Se encuentra normalmente, como el protón, en los núcleos atómicos. El neutrón no tiene carga eléctrica, está hecho de tres quarks y no es una partícula estable en general. Cuando se encuentra libre, fuera del núcleo, ésta decae en un protón, un positrón y un neutrino. Fue descubierto por el físico inglés James Chadwick en 1932. La masa del neutrón es ligeramente mayor que la del protón. 

 

Positrón

Es la anti-partícula del electrón. Es decir tiene la misma masa del electrón, pero su carga es de signo contrario (+) y cuando se encuentra con en electrón, este par se aniquila convirtiendo toda su masa en energía en forma de radiación (fotones). Fue descubierto en experimentos de  rayos cósmicos  por Carl Anderson en 1932.
 

Protón

Es una partícula de carga eléctrica igual a la del electrón pero positiva y con una masa 1800 veces mayor a la del electrón. Un protón está formado por tres quarks y se encuentra normalmente dentro de  núcleos atómicos. En ambientes de muy alta energía como en el Sol, los protones se encuentran libres.

 

Quarks

Por medio de experimentos de colisiones entre partículas elementales se ha podido determinar que el protón y el neutrón no son partículas simples (sin partes). Por el contrario, dentro del protón hay partes con sus propiedades individuales que se suman para formar las características visibles del protón. Estas partes que forman al protón se  llaman quarks.
 Los quarks son partículas elementales, que forman una serie de familias de otras partículas; por ejemplo la ombinacion de tres quarks forman los bariones y combinaciones de un quark y un anti-quark forman la famila de los mesones.

Los quarks sienten la fuerza nuclear fuerte, pero no se encuentran libres en la naturaleza. El físico Murray Gell-Mann fue quien dio el nombre de 'quarks' a estas partículas. Poco tiempo después de lanzada la hipótesis de los quarks, experimentos realizados en los laboratorios de Fermilab (en EEUU) y CERN (en Ginebra) comenzaron a dar evidencia experimental sobre su existencia.

La siguiente ilustración muestra el núcleo de un átomo de deuterio, contiene un protón y un neutrón, cada uno con tres quarks. El electrón golpea un quark en un protón que pasa la energía de los quarks antes de cada electrón se recupere.

El quark tiene tanta energía que crea nuevas partículas a medida que el fotón sale.

Dependiendo de la interacción se consideran otras partículas:

FUERZA	PARTÍCULA
Electromagnética	Fotón
Gravitacional	Graviton
Nuclear fuerte	Gulón
Nuclear débil	W, Z

FUERZAS DE LA NATURALEZA

Todos los fenómenos físicos de la naturaleza se explican mediante cuatro fuerzas de interacciones: dos fuerzas nucleares fuerte y débil, la fuerza de gravitación presente en todo el universo y por último la electromagnética que une los átomos de toda la materia.

INTERACCIÓN GRAVITATORIA

Es la fuerza de atracción que una porción de materia ejerce sobre otra, y afecta a todos los cuerpos. Su intensidad es mínima entre las partículas que intervienen en los procesos atómicos, pero es esencial a gran escala porque su alcance es infinito, aunque decrece de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, según la ley de Newton. Su importancia reside en que siempre es atractiva y, por tanto, se acumula, aumentando con el número de partículas en juego. De este modo, la gravitación es la fuerza preponderante a escala macroscópica, a pesar de que se trata de la más débil de todas las interacciones. Es la responsable de la atracción universal entre los cuerpos y regula sus movimientos.

En 1915, Einstein, tras  desarrollar su teoría especial de la relatividad, sugirió que la gravedad no era una fuerza como las otras, sino una consecuencia de la deformación del espacio-tiempo por la presencia de masa (o energía, que es lo mismo), formulando su teoría general de la relatividad.

Los intentos realizados por cuantizar la interacción gravitatoria implican la existencia de un bosón mediador de la interacción, el gravitón, de masa nula y número cuántico de espín 2, que no ha podido ser detectado aún.  Dicha partícula virtual sería la intercambiada entre las partículas subatómicas (o fermiones) que se ven afectadas por la gravedad en un instante dado.

INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

La fuerza electromagnética afecta exclusivamente a los cuerpos con carga eléctrica y es la responsable de las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas, donde une a los electrones y los núcleos. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria y su alcance es también infinito.

A raíz del triunfo de la teoría general de la gravitación de Newton, Coulomb la adaptó para explicar las fuerzas de atracción y repulsión experimentadas por los objetos cargados eléctricamente, demostrando que ésta era directamente proporcional al producto de las cargas eléctricas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Mostró también que las cargas de igual signo se atraen y las de distinto signo se repelen, y que los cuerpos imanados también sufrían una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

Experimentos posteriores realizados por el danés Oersted, el francés

Ampère y el británico Faraday revelaron que los fenómenos eléctricos y magnéticos

estaban relacionados. Su estudio fue sistematizado por el físico escocés J. C. Maxwell

en su teoría electromagnética, en la que predijo que la transmisión de los campos

eléctrico y magnético, perpendiculares entre sí, se realizaba ondulatoriamente a la

velocidad de la luz.

En el orden macroscópico, la teoría de Maxwell constituye un modelo de economía al unificar el tratamiento de los fenómenos eléctricos y magnéticos en sólo cuatro famosas ecuaciones, mientras que en las dimensiones atómicas la teoría del electromagnetismo se denomina electrodinámica cuántica, cuyos fundamentos se deben a Bethe, Tomonaga, Schwinger y Feynman, principalmente, y que realiza una corrección cuántica de las ecuaciones de Maxwell.

INTERACCIONES NUCLEARES

DÉBIL

En las emisiones radiactivas de tipo beta, ciertos átomos tienen un exceso de neutrones, algunos de los cuales se desintegran convirtiéndose en un protón, un electrón y un neutrino a través de un proceso regido por la interacción nuclear débil o de Fermi, que sólo se manifiesta a distancias de 10-17 ó 10-18 m, la fuerza de menor alcance.

La emisión de neutrinos fue propuesta por primera vez en 1929 por Pauli. Postuló que, junto a los tres tipos de radiaciones conocidos, alfa, beta y gamma, debían emitirse otras partículas a las que llamó neutrinos y antineutrinos, sin carga eléctrica y cuya masa era muy pequeña o incluso nula, como en el caso del fotón. En a emisión beta, un neutrón se convierte en un protón, una situación no prevista ni en física clásica ni en física cuántica y que tanto desconcertó a los físicos de partículas, y se crean un electrón y un antineutrino. 

FUERTE

Es la fuerza que obliga a los núcleos atómicos a permanecer unidos. Los núcleos están formados por protones y neutrones, y estos a su vez por quarks, estos  se mantienen unidos  porque la interacción nuclear fuerte les obliga a ello.

Para explicar la estabilidad de los núcleos, que contienen protones a una

distancia increíblemente pequeña, Rutherford postuló la existencia de la interacción

nuclear fuerte, una fuerza atractiva muy intensa para distancias del orden de los

diámetros nucleares (10-15 m), capaz de vencer la repulsión electrostática entre los

protones.

La descripción que actualmente se utiliza de la fuerza débil  se realiza de manera unificada con la electromagnética en la denominada interacción electrodébil. Sus autores, Glashow, Salam y Weinberg, recibieron el Premio Nobel de Física en 1979 por su trabajo. La teoría actual de la interacción fuerte, debida principalmente a Yang y Mills, fue completada a mitad de los años 70 y se llama cromodinámica cuántica, desarrollada por analogía con la electrodinámica de Feynman y colaboradores.

Cada interacción tiene una intensidad y un alcance concreto que la distingue de las otras, como ya hemos comentado con anterioridad. Por ejemplo, sabemos que las fuerzas electromagnéticas y gravitatorias tienen un alcance infinito, mientras que las otras dos se reducen al ámbito nuclear.

 La intensidad de cada tipo de fuerza se explica según  la masa de la partícula de intercambio y la constante de acoplamiento. Richard Feynman ideó un sencillo diagrama para representar la interacción de cualquier tipo entre dos partículas, donde los estados iniciales y finales de ambas se dibujan unidos por la partícula de intercambio.

Bibliografía

Sears,F. Zemansky,M. Young,H. Freedman, R.(2005).Física universitaria con física moderna. vol I y 

                                                                            II. Pearson Educación. México.

Tipler, P. Mosca, G.(2010) Física para la ciencia y la tecnoogía.Editorial Reverté.Barcelona

                                            España.

http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/Curiosid2/rc-132.pdfv Accesado el 13 de julio del 2012.

http://www.jlab.org/news/articles/2004/nucleus.html Accesado el 14 de julio del 2012.