Física de partícules

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

La física de partícules és la disciplina de la física que s'encarrega de l'estudi de les partícules constituents de la matèria i la radiació i de les interaccions entre aquestes. També s'anomena física d'altes energies, perquè la majoria de partícules estudiades no es troben de manera espontània en la natura; són inestables i s'han de crear i detectar mitjançant col·lisions a altes energies d'altres partícules estables amb l'ajuda dels acceleradors de partícules.

A banda dels acceleradors de partícules, altres fonts de dades experimentals són els raigs còsmics i, de manera indirecta, l'anàlisi de certs processos en astrofísica i cosmologia. Des d'un punt de vista teòric, la teoria que descriu les partícules conegudes actualment s'anomena model estàndard, i està fonamentada en la mecànica quàntica, i en particular en la teoria quàntica de camps.

La física de partícules es pot dividir, al seu torn, en diverses branques:

  • Teòrica. Dedicada a proposar noves teories que vagin més enllà del model estàndard. En l'extrem, trobem la teoria de cordes, que és una prototeoria, avui en dia encara inacabada, que vol proposar una unificació de totes les interaccions existents, incloent-hi la gravetat.
  • Fenomenològica. Dedicada a estudiar les conseqüències observacionals de les noves teories proposades, i a interpretar les dades experimentals en funció de les teories existents.
  • Experimental. Dedicada a dissenyar els diversos experiments en física de partícules, i a analitzar-ne les dades.
  • Física de partícules al reticle. Dedicada a estudiar numèricament, amb l'ordinador, les diverses propostes teòriques.

La física de partícules és la branca de la física que estudia els components elementals de la matèria i les interaccions entre aquests.[1]

Les partícules fonamentals se subdivideixen en bosons (partícules d'espín sencer com ara 0, 1, 2...), que són les responsables de transmetre les forces fonamentals de la natura, i fermions (partícules d'espín semienter com ara 1/2 o 3/2).

Es coneix aquesta branca també com a física d'altes energies pel fet que, moltes de les partícules, se les pot veure només en grans col·lisions provocades en els acceleradors de partícules.[2]

Diagrama de Feynman d'una desintegració beta, procés mitjançant el qual un neutró pot convertir-se en protó. En la figura, un dels tres quarks del neutró de l'esquerra (quark d en blau), emet una partícula W - i passa a ser un quark (o); la partícula emesa (W -- ) es desintegra en un antineutrí i un electró

Història[modifica | modifica el codi]

Primera observació d'un neutrí, després d'incidir sobre un protó, en una càmera de bombolles.

L'ésser humà, des de l'antiguitat, ha imaginat que l'univers en què habita està compost de diversos elements, per exemple, Empèdocles en el segle V abans de la nostra era, va postular que tot el que existeix es podria obtenir de la barreja d'aigua, terra, foc i aire.[3] Podríem esmentar Demòcrit com el primer a indicar l'existència d'àtoms, com una mena d'elements indivisibles.

Els avenços científics de principis del segle XX per part de Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr i d'altres van donar lloc al naixement de la mecànica quàntica. L'efecte fotoelèctric mostrava la naturalesa quàntica de la llum per a explicar la seva interacció amb la matèria, i denominava fotó el "com" de llum. Actualment, es coneixen tres partícules que interaccionen amb la matèria, anomenades bosons. Per a comprendre l'estructura de la matèria, van aparèixer diferents models atòmics i, cap al 1930, els electrons, protons i neutrons, els constituents bàsics de la matèria. Cap al 1960, gràcies a Murray Gell-Mann, es prediuen constituents més elementals per als protons i neutrons, els quarks, de manera que els elements bàsics constituents de la matèria es converteixen en quarks, electrons i neutrins.

Partícules elementals[modifica | modifica el codi]

Article principal: Partícula elemental

Els físics de partícules s'han esforçat des d'un principi per classificar les partícules conegudes i per descriure tota la matèria i les seves interaccions. Al llarg de la història de la física, hi ha hagut moltes partícules que en el seu moment s'han definit com a indivisibles, com ara els protons i neutrons, que més endavant s'ha demostrat que no ho són. Després de diferents teories atòmiques i nuclears, en l'actualitat, es fa servir l'anomenat model estàndard de física de partícules per a descriure la matèria que constitueix l'univers i les seves interaccions. D'acord amb el model estàndard, hi ha sis tipus de quarks, sis tipus de leptons i quatre tipus de bosons. Aquestes partícules estan dividides en dues grans categories pel principi d'exclusió de Pauli: les que no estan subjectes a aquest principi són els bosons i les que sí que ho estan se les diu fermions.[4]

Bosons[modifica | modifica el codi]

Nom i càrrega elèctrica dels components de la matèria
Article principal: Bosó

Els bosons són partícules que no compleixen el principi d'exclusió de Pauli, pel qual dues partícules poden ocupar el mateix estat quàntic. A temperatures molt baixes, tendeixen a ocupar el nivell energètic més baix, i ocupen totes les partícules el mateix estat quàntic.[5] El 1924, Satyendra Nath Bose i Albert Einstein postularen un model d'estadística, ara anomenat estadística de Bose-Einstein, per a molècules a temperatures molt properes al zero absolut; aquesta mateixa estadística resulta que es pot aplicar també a aquest tipus de partícules.[6]

Segons el model estàndard, els bosons són quatre:[7]

Partícula Símbol Massa (en GeV/c2 ) Càrrega elèctrica Espín Interacció
Fotó \ \Gamma 0 0 1 electromagnètica
Bosó W W ± 80,4 ± 1 1 feble
Bosó Z Z 0 91,187 0 1 feble
Gluó G 0 0 1 forta

Les teories matemàtiques que estudien els fenòmens d'aquestes partícules són, en el cas de la interacció forta, dels gluons, la cromodinàmica quàntica, i en el cas de la interacció electrodèbil, de fotons i bosons W i Z, l'electrodinàmica quàntica.

Fermions[modifica | modifica el codi]

Article principal: Fermió

Els fermions són partícules amb espín, o moment angular intrínsec, fraccionari i que sí que estan subjectes al principi d'exclusió de Pauli, o sigui, que dues partícules no poden estar en un mateix estat quàntic al mateix moment. La seva distribució està regida per l'estadística de Fermi-Dirac, d'aquí el seu nom.[8]

Els fermions són bàsicament partícules de matèria, però a diferència dels bosons, no tots els fermions són partícules elementals. El cas més clar n'és el dels protons i neutrons; aquestes partícules són fermions, però estan compostos de quarks que, al nostre nivell actual de coneixements, sí que es consideren com a elementals.

Els fermions es divideixen en dos grups: els quarks i els leptons. Aquesta diferència s'aplica perquè els leptons poden existir aïllats, a diferència dels quarks, que es troben sempre en presència d'altres quarks.[9] Els grups de quarks no poden tenir càrrega de color pel fet que els gluons que els uneixen tenen càrrega de color. Les propietats bàsiques d'aquestes partícules es troben aquí:[7]

Tipus de fermió Nom Símbol Càrrega
electromagnètica
Càrrega dèbil * Càrrega de
color
Massa
Leptó
Electró e - -1 -1/2 0 0,511 MeV/c ²
Muó \mu -
Tauó \tau -
Neutrí electrònic \nu i 0 +1/2 0 <50 eV/c ²
Neutrí muònic \nu \mu 0 +1/2 0 <0,5 MeV/c ²
Neutrí tauònic \nu \tau 0 +1/2 0 <70 MeV/c ²
Quark
amunt o +2/3 +1/2 R/G/B {5 MeV/c ²
encant c +2/3 +1/2 R/G/B {1/5 GeV/c ²
cim t +2/3 +1/2 R/G/B > 30 GeV/c ²
avall d -1/3 -1/2 R/G/B {10 MeV/c ²
estrany s -1/3 -1/2 R/G/B {100 MeV/c ²
fons b -1/3 -1/2 R/G/B {4,7 GeV/c ²
  • Les partícules de la taula només tenen càrrega feble si són levogires o, per a les antipartícules, si són dextrogires.

Les partícules s'agrupen en generacions. N'hi ha tres generacions: · La primera està composta per l'electró, el seu neutrí i els quarks amunt i avall. · La matèria ordinària està composta per partícules d'aquesta primera generació. · Les partícules d'altres generacions es desintegren en partícules de les generacions inferiors.

Partícules compostes[modifica | modifica el codi]

Article principal: Partícula composta

Els físics de partícules denominen hadrons les partícules que es componen d'altres més elementals. Els hadrons estan formats de quarks, d'antiquarks i de gluons. La càrrega elèctrica dels hadrons és un nombre enter, de manera que la suma de la càrrega dels quarks que els componen ha de ser un enter.[10]

La interacció forta és la que predomina en els hadrons, encara que també s'hi manifesta la interacció electromagnètica i la feble.[11] Les partícules amb càrrega de color interaccionen mitjançant gluons; els quarks i els gluons, en tenir càrrega de color, estan confinats a romandre units en una partícula amb càrrega de color neutre.[12] La formulació teòrica d'aquestes partícules, la van realitzar simultàniament i independentment Murray Gell-Mann i George Zweig el 1964 en l'anomenat model de quarks. Aquest model ha rebut nombroses confirmacions experimentals des d'aleshores.

Els hadrons se subdivideixen en dues classes de partícules: els barions i els mesons.

Barions[modifica | modifica el codi]

Article principal: Barió
Estructura d'un protó

Els barions són partícules que contenen tres quarks, alguns gluons i alguns antiquarks. Els barions més coneguts són els nucleons, és a dir, els protons i neutrons, a més d'altres partícules més massives conegudes com a hiperònims.[13] Dins dels barions, hi ha una intensa interacció entre els quarks a través dels gluons, que transporten la interacció forta. Com que els gluons tenen càrrega de color, en els barions les partícules que el contenen canvien ràpidament de càrrega de color, però el conjunt del barió roman amb càrrega de color neutre.[14]

Els barions són també fermions, per tant, el valor del seu espín és 1/2, 3/2... Com totes les partícules, els barions tenen la seva partícula d'antimatèria anomenada antibarió, que es forma amb la unió de tres antiquarks.[14] Sense comptar amb els nucleons, la majoria de barions són inestables.[13]

Mesons[modifica | modifica el codi]

Article principal: Mesó

Els mesons són partícules conformades per un quark, un antiquark i la partícula que les uneix, els gluons. Tots els mesons són inestables; malgrat això, poden trobar-se aïllats a causa del fet que les càrregues de color del quark i l'antiquark són oposades, i s'obté una fonda amb càrrega de color neutra. Els mesons són a més bosons, ja que la suma dels espins, dels seus quark-antiquark, més la contribució del moviment d'aquestes partícules, és un nombre enter.[15] Es coneix també que l'hostal té interaccions fortes, febles i electromagnètiques. < ref name = "bari"/>

En aquest grup s'inclou el pió, el kaó, la J/ψ, i moltes d'altres. Pot ser que hi hagi també fondes exòtiques, encara que no n'hi ha evidència experimental.

Partícules hipotètiques[modifica | modifica el codi]

Article principal: Partícula hipotètica

Entre les principals partícules conjecturades teòricament i que encara no han estat confirmades per cap experiment fins al 2008, es troben:

Supersimetria[modifica | modifica el codi]

La teoria de supersimetria planteja l'existència de partícules supercompanyes de les actuals partícules existents;[20] així, entre les més destacades, tenim:

D'altres[modifica | modifica el codi]

Classificació per velocitat[modifica | modifica el codi]

D'acord amb la seva massa i rang de velocitat assolible, les partícules hipotètiques (i les reals) es poden classificar en:

  • Un tardió viatja més lent que la llum i té una massa en repòs no nul. Totes les partícules amb massa pertanyen a aquesta categoria.
  • Un luxó viatja exactament a la velocitat de la llum, i no té massa. Totes les partícules bosòniques sense massa pertanyen a aquesta categoria; normalment, s'accepta que els neutrins també pertanyen a aquesta categoria.
  • Un taquió és una partícula hipotètica que viatja més ràpid que la llum, i la massa ha de ser-ne imaginària. No s'han detectat exemples d'aquest tipus de partícula.

Quasipartícules[modifica | modifica el codi]

Article principal: Quasipartícula

Les equacions de camp de la física de la matèria condensada són molt similars a les de la física de partícules. Per això, molta de la teoria de la física de partícules es pot aplicar a la física de la matèria condensada, assignant a cada camp o excitació d'aquesta un model que inclou "quasipartícules". Aquestes inclouen:

Principals centres de recerca[modifica | modifica el codi]

En la física de partícules, els principals laboratoris internacionals són:

  • CERN, localitzat entre la frontera francosuïssa prop de la ciutat suïssa de Ginebra. El seu principal projecte actual és el Large Hadron Collider o LHC, la construcció del qual ja és acabada i és en funcionament. Aquest serà el més gran col·lisionador de partícules del món. Al CERN també podem trobar el LEP, col·lisionador electró-positró, i el superprotó sincrotró.
Part de l'LHC
  • Fermilab, situat a prop de Chicago, als Estats Units, disposa del Tevatró, que pot xocar protons i antiprotons i és el segon accelerador de partícules més energètic del món després del LHC.
  • Laboratori Nacional Brookhaven, localitzat a Long Island (Estats Units), conté un accelerador relativista de ions pesants que pot topar ions pesants com l'or i protons polaritzats. Va ser el primer accelerador de ions pesants i és l'únic que pot accelerar protons polaritzats.
  • DESY, localitzat al barri de Lurup a Hamburg (Alemanya), conté l'HERA que pot accelerar electrons, positrons i protons.
  • SLAC, localitzat a Palo Alto (Estats Units), conté el PEP-II, que pot topar electrons i positrons.

Aquests són els principals laboratoris, però n'hi ha molts més.

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Notes i referències[modifica | modifica el codi]

  1. «cl/partic.htm Camps i Partícules», 2000. [Consulta: 27/02/2008].
  2. Enciclopèdia Encarta. «Partícules elementals», 2007. [Consulta: 28/02/2008].
  3. Particle Data Group. «Resposta a la pregunta sobre els quatre elements». [Consulta: 27/02/2008].
  4. Particle Data Group. «Classificació de les Partícules». [Consulta: 3 març 2008].
  5. Departament de Física i Matemàtica (Junta d'Andalusia). «La física de partícules i les interaccions fonamentals». [Consulta: 3 març 2008].
  6. A. Cantorné (profes.net). «Un nou estat de la matèria : Condensat Bose-Einstein», 2001. [Consulta: 3 març 2008].
  7. 7,0 7,1 Particle Data Group. «Components del "Model Standard" de les partícules i interaccions fonamentals». [Consulta: 3 març 2008].
  8. «Fermions». [Consulta: 3 abril 2008].
  9. Particle Data Group. «html leptons solitaris». [Consulta: 3 abril 2008].
  10. Particle Data Group. «. html Hadrons: societats de quarks». [Consulta: 3 maig 2008].
  11. Carlos Díaz. «Hadron». [Consulta: 3 maig 2008].
  12. Particle Data Group. «Càrrega de color i confinament». [Consulta: 3 maig 2008].
  13. 13,0 13,1 Només Ciència. «Teoria de les partícules elementals», 2007. [Consulta: 3 juny 2008].
  14. 14,0 14,1 Particle Data Group. «Barions». [Consulta: 3 juny 2008].
  15. Particle Data Group. «Mesón». [Consulta: 3 juny 2008].
  16. Scientific American. «-exactly-is-the-higgs What exactly is the Higgs boson?» (en anglès), 1999. [Consulta: 3 juny 2008].
  17. «htm Unificació eletrodébil», 2002. [Consulta: 3 juliol 2008].
  18. CERN. «ATLAS completes world's largest jigsaw puzzle» (en anglès), 2008. [Consulta: 2 juliol 2009].
  19. Eric W. Weisstein. «Graviton» (en anglès), 2007. [Consulta: 13/03/2008].
  20. 20,0 20,1 20,2 Santiago Cárdenas Martín. «Model estàndard de la Física de Partícules». [Consulta: 3 agost 2008].
  21. David Darling. «neutralino» (en anglès). [Consulta: 3 agost 2008].
  22. New Scientist. «Flashes from the beginning of the Universe» (en anglès), 1995. [Consulta: 3 agost 2008].

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]