El modelo estándar – el Hypertextbook de Física

discusión

introducción

El modelo estándar es el nombre dado en la década de 1970 a una teoría de partículas fundamentales y cómo interactúan. Incorporó todo lo que se sabía sobre las partículas subatómicas en ese momento y predijo la existencia de partículas adicionales también.

hay diecisiete partículas nombradas en el modelo estándar, organizadas en el gráfico que se muestra a continuación., Las últimas partículas descubiertas fueron los bosones W Y Z en 1983, el quark top en 1995, el neutrino tau en 2000, y el bosón de Higgs en 2012.

partículas de modelo estándar (nucleones incluidos para la comparación)
familia			partícula	predijo/ descubre		spin número	carga e)	color	masa (MeV/c2)
f e i m i o n s	q u r k s	b	hasta quark	1964	1968	½	+⅔+	r, g, b	2.16
		d	quark abajo	1964	1968	½	−⅓−	r, g, b	4.,t> +⅔+ r, g, b 1,270 en quark extraño 1964 1968 ½ −⅓− b, g, b 93 apoyo quark top 1973 1995 ½ +⅔+ b, g, b 172,760 b quark abajo 1973 1977 ½ −⅓− b, g, b 4,180 con en p t o n en en electrónica 1874 1897 ½ −1− ninguno 0.,51099895
		μ	muon	0000	1936	½	−1−	none	105.658375
		τ	tau	0000	1975	½	−1−	none	1776.86
		νe	electron neutrino	1930	1956	½	0	none	< 1.1 × 10−6
		νμ	muon neutrino	s1940s	1962	½	0	none	< 0.,19
	ντ	tau neutrino	s1970s	2000	½	0	none	< 18.2
	†	p	proton	1815	1917	½	+1+	none	938.272081
	†	n	neutron	1920	1932	½	0	none	939.,565413
	b o s o n s	v e c t o r	g	gluon	1962	1978	1	0	8 colors	0
			γ	photon	0000	1899	1	0	none	0
			W	W boson	1968	1983	1	±1±	none	80,379
			Z	Z boson	1968	1983	1	0	none	91,187.,6
		‡	H	bosón de higgs	1964	2012	0	0	ninguno	125,100

familias de partículas

las partículas Fundamentales son los bloques de construcción de la materia, llamados fermiones, o los mediadores de las interacciones, llamadas bosones. Hay doce fermiones nombrados y cinco bosones nombrados en el modelo estándar.,

los fermiones obedecen a una regla estadística descrita por Enrico Fermi (1901-1954) de Italia, Paul Dirac (1902-1984) de Inglaterra, y Wolfgang Pauli (1900-1958) de Austria llamado el principio de exclusión. En pocas palabras, los fermiones no pueden ocupar el mismo lugar al mismo tiempo. (Más formalmente, no hay dos fermiones pueden ser descritos por los mismos números cuánticos. Los leptones y los quarks son fermiones, pero también lo son las cosas hechas de ellos como protones, neutrones, átomos, moléculas, personas y paredes. Esto concuerda con nuestras observaciones macroscópicas de la materia en la vida cotidiana., La gente no puede caminar a través de las paredes a menos que la pared se salga del camino.

los bosones, por el contrario, no tienen ningún problema en ocupar el mismo lugar al mismo tiempo. (Más formalmente, dos o más bosones pueden ser descritos por los mismos números cuánticos. Las reglas estadísticas que obedecen los bosones fueron descritas por primera vez por Satyendra Bose (1894-1974) de la India y Albert Einstein (1879-1955) de Alemania. Gluones, fotones, y el W, Z y Higgs son todos bosones. Como las partículas que componen la luz y otras formas de radiación electromagnética, los fotones son los bosones con los que tenemos la experiencia más directa., En nuestra experiencia diaria, nunca vemos rayos de luz estrellarse unos contra otros. Los fotones son como fantasmas. Pasan el uno al otro sin ningún efecto.

Las partículas elementales tienen un momento angular de espín intrínseco S. El adjetivo intrínseco significa innato o esencial para la cosa en sí. Las partículas elementales no tienen giro porque alguien Las está girando. Simplemente giran, o mejor dicho, solo tienen una cantidad medible con las mismas unidades que el momento angular. En la física actual, las partículas elementales no tienen rasgos distintivos, como un punto matemático., Para que algo se perciba como girando, la cosa girando necesitaría algo como un «frente» y un «trasero». Sin rasgos, las partículas puntuales no tienen nada como eso. La física de partículas se describe mejor con las matemáticas. Spin es una etiqueta conveniente para una calidad medible y no una descripción de la realidad.

cada partícula elemental tiene asociado un número cuántico de espín s (a menudo llamado el número de espín o simplemente el espín), donde s es cualquier número entero múltiplo de la mitad. Los fermiones tienen números cuánticos de espín medio integral ( ½ , 1½, 2½, etc.).,) y los bosones tienen números cuánticos de espín integral(0, 1, 2, etc.). No hay números de giro son posibles entre estos. Spin es una cantidad cuantizada.

los fermiones elementales tienen un giro de½. Las partículas hechas de combinaciones de fermiones tendrán un giro general que es una combinación de los giros individuales. Un barión compuesto por tres quarks se combinará a un giro total de ½ o 1½, ya que esas son las únicas combinaciones posibles, no negativas de½±½±½. Esto demuestra que todos los bariones (como protones y neutrones, por ejemplo) también son fermiones., Del mismo modo, un mesón compuesto de un quark y un antiquark se combinará a un espín total de 0 o 1 ya que esas son las únicas combinaciones posibles, no negativas de½±½. Esto demuestra que todos los mesones (como el pión de la interacción fuerte residual, por ejemplo) son también bosones.

los bosones de cariado de fuerza del Modelo Estándar (gluones, fotones, y los W Y Z) tienen spin 1 ya que van con campos vectoriales. El bosón de Higgs corresponde a un campo escalar por lo que tiene spin 0., Si alguna vez se descubre la partícula del campo gravitacional, se llamaría gravitón y tendría un espín 2 ya que corresponde a un campo tensor. Un tensor es un objeto matemático que es más complejo que un vector, que a su vez es más complejo que un escalar. Ver la tendencia? Un campo escalar sin dirección obtiene una partícula con spin 0. Un campo vectorial con una dirección obtiene una partícula con spin 1. Un campo tensor que estira y aprieta el espacio en dos direcciones obtiene una partícula con spin 2.

todas las partículas fundamentales y compuestas tienen un número cuántico de espín s (minúsculas)., Esto está asociado con un momento angular de espín S (mayúsculas). La unidad SI de Momento angular es el kilogramo metro cuadrado por segundo o, equivalentemente, el joule segundo , que es demasiado grande para partículas elementales. En su lugar se usa ℏ (h bar), también conocida como la constante de Planck reducida (ℏ = h/2π). Por razones que están más allá del alcance de este libro, El número cuántico de espín s (que es solo un número) y el momento angular de espín S (que es un número con una unidad) no son numéricamente iguales. En cambio, están relacionados por una ecuación no obvia.,

S =	⎡ ⎣	s	⎛ ⎝	s	+ 1	⎞ ⎠	⎤½ ⎦	ℏ

Para las partículas con spin número cuántico de 0, la solución es sensato el momento angular de espín de 0 ℏ.,

S(0) =	⎡ ⎣	0	⎛ ⎝	0	+ 1	⎞ ⎠	⎤½ ⎦	ℏ = 0 ℏ

Para mayor tirada números cuánticos del momento angular de espín aumenta, pero más allá de eso no hay mucho más que puede ser simplemente dijo.,

los fermiones se dividen en dos grupos de seis: los que deben unirse se llaman quarks y los que pueden existir independientemente se llaman leptones.

la palabra «quark» apareció originalmente en una sola línea de la novela Finnegans Wake escrita por el autor irlandés James Joyce (1882-1941). El protagonista del libro es un publicano llamado Humphrey Chimpden Earwicker que sueña que está sirviendo cerveza a una gaviota borracha (no es broma). En lugar de pedir «tres cuartos para Mister Mark», el pájaro ebrio dice «tres cuartos para Muster Mark»., Dado que la teoría del modelo pre-estándar estaba completa con solo tres quarks, el nombre tenía cierto sentido. El modelo estándar completo de hoy necesita seis quarks. Eso no ha hecho que la palabra sea menos divertida de decir. Quark! Los seis sabores de quark son arriba, abajo, extraño, encanto, arriba y abajo. Los nombres de los sabores son esencialmente sin sentido.

Se sabe que los Quarks se unen en trillizos y dobletes. Los trillizos se llaman bariones, un término derivado de la palabra griega βαρύς (varys) que significa «pesado». Los dobletes se llaman mesones, un término derivado de la palabra griega μέσος (mesos) que significa «medio»., Colectivamente, los bariones (los trillizos pesados), los mesones (los dobletes de peso medio) y los quarks (las partículas fundamentales) se conocen como hadrones, de la palabra griega αδρός (adros) que significa grueso, robusto, masivo o grande. Este nombre alude a la capacidad de los quarks en forma de punto para unirse y formar partículas que son «gruesas» en cierto sentido.

los otros seis fermiones se llaman leptones, un nombre derivado de la palabra griega λεπτός (leptos) que significa delgado, delicado, ligero o pequeño. Estas partículas no necesitan unirse entre sí, lo que las mantiene «delgadas» en cierto sentido., Originalmente los leptones eran considerados las partículas » ligeras «y los hadrones las partículas» pesadas», pero el descubrimiento del leptón tau en 1975 rompió esa regla. El tau (el leptón más pesado) es casi el doble de masivo que un protón (el hadrón más ligero).

los bariones que se encuentran en el núcleo (el protón y el neutrón) se llaman nucleones. La palabra latina para núcleo es núcleo. Los nucleones se encuentran en el «núcleo» metafórico del átomo. Los bariones que contienen al menos un quark extraño, pero sin encanto, quarks inferior o superior se llaman hiperones., La palabra griega para más allá es υπέρ (yper), que se transformó en el prefijo inglés hyper-. Los hiperones son partículas que están «fuera» en cierto sentido.

Los neutrinos son un importante subgrupo dentro de los leptones. Vienen en tres sabores que llevan el nombre de su pareja leptons. El electrón, muón y tau se emparejan con el neutrino electrónico, el neutrino muón y el neutrino tau. Los Neutrinos tienen muy poca masa (incluso para los leptones) e interactúan tan débilmente con el resto de las partículas que son excepcionalmente difíciles de detectar. El nombre es un juego de palabras., La palabra italiana para neutrón (neutrón) suena como la palabra neutral (neutro) con un sufijo aumentativo (- one) tachonado al final. Es decir, suena algo así como» gran neutral » para los oídos Italianos. Reemplace el sufijo aumentativo-one con el sufijo diminutivo-ino y tendrá un «pequeño neutro», que es una buena descripción de lo que es un neutrino: una partícula diminutiva neutral. Aaaaaw, tan pequeño y neutral.

los fermiones pertenecen a una de las tres generaciones conocidas de ordinario (I), exótico (II), muy exótico (III)., (Estos son los adjetivos que seleccioné para describir las generaciones. Las partículas de la generación I pueden combinarse para formar hadrones con períodos de vida efectivamente infinitos (átomos estables hechos de electrones, protones y neutrones, por ejemplo). Las partículas de la generación II siempre forman hadrones inestables. El hadrón más largo que contiene un quark de la generación II es la partícula lambda (hecha de un quark arriba, abajo y extraño). Tiene una vida media de menos de una milmillonésima de segundo, que se considera de larga vida para un hadrón inestable. Las partículas de la generación III se dividen en su comportamiento., El quark inferior no es mucho más extraño que un quark extraño, pero el quark superior es tan efímero que no existe el tiempo suficiente para hacer nada. Se desmorona antes de que el mundo sepa que existe. Los quarks superiores solo son conocidos por sus productos de desintegración.

interacciones de partículas

tres de las cuatro fuentes fundamentales de la naturaleza están incluidas en el modelo estándar de física de partículas: electromagnetismo, fuerza fuerte y fuerza débil. (La gravedad no está incluida en el modelo estándar., Cada fuerza actúa entre partículas debido a alguna propiedad de esa partícula: carga para el electromagnetismo, color para la fuerza fuerte y sabor para la fuerza débil. Los bosones asociados con cada fuerza se llaman bosones gauge — el fotón para el electromagnetismo, los gluones para la fuerza fuerte, y los bosones W Y Z para la fuerza débil.

La carga es la propiedad de la materia que da lugar a fenómenos eléctricos y magnéticos (conocidos colectivamente como electromagnetismo)., La carga está cuantizada, lo que significa que solo puede existir en cantidades discretas con valores restringidos: múltiplos y fracciones de la carga elemental (e = 1.6 × 10-19 C). Las partículas que existen independientemente (el electrón, muón y tau) llevan múltiplos de la carga elemental (-1 e), mientras que los quarks llevan fracciones de la carga elemental (+e e o −e e). Los Quarks siempre se unen en grupos cuya carga total es un múltiplo integral de la carga elemental, por lo que nadie ha medido nunca directamente una carga fraccional., Además, dado que las cargas opuestas se atraen, los electrones tienden a unirse a los protones para formar átomos que son neutrales en general. Normalmente no notamos la naturaleza eléctrica de la materia debido a esto.

las partículas Cargadas interactúan mediante el intercambio de fotones — el portador de la fuerza electromagnética. Cuando un electrón repele a otro o cualquier electrón orbita un núcleo, un fotón es responsable. Los fotones no tienen masa, no están cargados y tienen un alcance ilimitado., El modelo matemático utilizado para describir la interacción de partículas cargadas a través del intercambio de fotones se conoce como electrodinámica cuántica (QED).

los Quarks se adhieren a otros quarks porque poseen una característica conocida como color (o carga de color). Los Quarks vienen en uno de tres colores: rojo, verde y azul. No dejes que las palabras te engañen. Los Quarks son demasiado pequeños para ser visibles y por lo tanto nunca podrían tener una propiedad perceptiva como el color. Los nombres fueron elegidos debido a una analogía conveniente., Los colores de los quarks en el modelo estándar se combinan como los colores de la luz en la visión humana.

La luz roja más la luz verde más la luz azul nos parece a los humanos como luz blanca «incolora». Un barión es un triplete de un quark rojo, uno verde y uno azul. Ponlos juntos y obtienes una partícula de color neutro. Un color más su color opuesto también da luz blanca. La luz roja más la luz Cian se ve igual para los humanos que la luz blanca, por ejemplo. Un mesón es un doblete de un quark de color y un antiquark anticolor. Ponlos juntos y obtienes una partícula de color neutro.,

Hay algo en el color que hace que quiera esconderse de algo más grande que un núcleo. Los Quarks no pueden soportar estar separados el uno del otro. Solo tienen que unirse y siempre lo hacen de una manera que oculta su color del mundo exterior. Un color nunca es favorecido sobre otro cuando los quarks se reúnen. La materia es de color neutro hasta una escala muy pequeña.

Color de las partículas están unidas por el apropiado nombre de gluones. Los gluones también son de color, pero de una manera más complicada que los quarks., Seis de los ocho gluones tienen dos colores, uno tiene cuatro y otro tiene seis. Los gluones pegan a los quarks, pero también se pegan a sí mismos. Una consecuencia de esto es que no pueden llegar y hacer mucho más allá del núcleo.

el modelo matemático utilizado para describir la interacción de partículas coloreadas a través del intercambio de gluones se conoce como cromodinámica cuántica (QCD). Todo el lío pegajoso se llama la fuerza fuerte o la interacción fuerte, ya que resulta en fuerzas en el núcleo que son más fuertes que la fuerza electromagnética., Sin la fuerza fuerte, cada núcleo se haría añicos.

Hay doce denomina primaria fermiones. La diferencia entre ellos es de sabor. La palabra «sabor» se usa aquí para significar «tipo» y se aplica solo a fermiones. No dejes que la palabra te engañe. Las partículas subatómicas son demasiado pequeñas para tener características que puedan ser observadas directamente por los sentidos humanos.,

Las partículas Aromatizadas interactúan débilmente a través del intercambio de bosones W O Z, los portadores de la fuerza débil (también conocidos como bosones vectoriales intermedios). Cuando un neutrón decae en un protón, un bosón W es responsable. El modelo matemático utilizado para describir la interacción de partículas aromatizadas a través del intercambio de bosones W Y Z se conoce a veces como flavordinámica cuántica (QFD), pero este es un término que no es utilizado por los físicos de partículas que trabajan. En energías superiores, las fuerzas débiles y electromagnéticas comienzan a parecerse cada vez más., El modelo matemático que describe estas interacciones juntas se conoce como teoría electrodébil (EWT). Este es el nombre convencional para la teoría de la fuerza débil.

masa y gravedad

se cree que todos los fermiones tienen una masa de reposo distinta de cero. Las partículas de la generación I son menos masivas que las de la generación II, que son menos masivas que las de la generación III. dentro de las generaciones, los quarks son más masivos que los leptones y los neutrinos son menos masivos que los otros leptones. Los bosones se dividen cuando se trata de masa., Los gluones y los fotones no tienen masa. Los bosones W, Z y Higgs son masivos.

la Masa es energía. Una partícula en movimiento es más masiva que una partícula estacionaria porque tiene energía cinética. Lógicamente entonces, una partícula estacionaria no debería tener masa. Si pudiéramos detener un fotón (que no podemos) no pesaría nada. Nuestra lógica parece estar funcionando. Si pudiéramos detener un electrón (que podemos) pesaría algo. Nuestra lógica está rota. ¿Por qué algunas partículas pesan algo en reposo y otras no pesan nada?,

La masa es energía y la energía viene en dos tipos: energía cinética (la energía del movimiento) y energía potencial (la energía del arreglo). La contribución de la energía cinética a la masa es menor. La mayor parte de la masa que nos rodea proviene de algún tipo de energía potencial. Por ejemplo, un protón está formado por dos quarks hacia arriba y un quark hacia abajo. Las masas de estos tres quarks no suman la masa de un protón.

mp	≠	2mu +1md
938.,272 MeV/c2	≠	2(2.3 MeV/c2) + 1(4.8 MeV/c2)
938.272 MeV/c2	≠	9.4 MeV/c2

Las masas de las partes son sólo el 1% de la masa de la totalidad. El 99% restante proviene de la energía potencial de la fuerza fuerte que mantiene unido al protón. Las partículas que median la fuerza fuerte son los gluones. La energía de interacción de estas partículas sin masa es lo que le da al protón la mayor parte de su masa.,

entonces, ¿por qué los quarks tienen masa pero los gluones no? O como se ha dicho históricamente la pregunta, ¿por qué los bosones W Y Z tienen masa pero el fotón no? Tal vez haya otro tipo de energía potencial. Tal vez haya otra interacción ahí afuera, una interacción que algunas partículas sienten y otras no. si hay una interacción, hay una partícula, una partícula que da masa a otras partículas cuando están sentadas sin hacer nada. La interacción que da masa a las partículas elementales fue propuesta en 1964 por científicos en tres lugares independientes.,

François Englert y Robert Brout en L’Université Libre de Bruxelles en Bélgica
Peter Higgs en la Universidad de Edimburgo en Escocia
Gerald Guralnik, Carl Hagen, y Tom Kibble en Imperial College, Londres

debería llamarse el mecanismo Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble, pero no lo es. por cualquier razón, la interacción que da lugar a la masa a partículas elementales se llama el mecanismo de Higgs y la partícula que media la interacción se llama el bosón de Higgs, la partícula de Higgs, o (raramente) el higgson.,

se supone que todo el espacio está lleno de un campo de Higgs, un mar de fondo de bosones virtuales de Higgs que aparecen y desaparecen de la existencia. Los quarks, los leptones y los bosones W Y Z que se mueven por el espacio interactúan con este campo, razón por la cual estas partículas tienen masa. Los fotones y gluones no interactúan con el campo de Higgs, por lo que estas partículas no tienen masa. Incluso el bosón de Higgs interactúa con el campo de Higgs. ¡Se da masa!, El bosón de Higgs es diferente de los otros bosones (gluones, fotones, bosones W Y Z) en que el mecanismo de Higgs no resulta en nada parecido a una fuerza (como las fuerzas fuertes, electromagnéticas y débiles). El campo de Higgs es un campo escalar y el bosón de Higgs es una partícula con spin cero.

La gravedad es la fuerza entre objetos debido a su masa. El modelo matemático que describiría la gravedad a nivel de partícula a veces se denomina geometrinámica cuántica (QGD), pero más a menudo se conoce como gravitación cuántica., El modelo estándar de la física de partículas no incluye la gravedad (ni podría nunca) y actualmente no existe una teoría cuántica de la gravitación. Si lo hubiera, tendría que incluir una partícula de cariado de fuerza. El nombre propuesto para esta partícula es el gravitón. La relatividad general describe las ondas gravitacionales como una perturbación del tensor que propogata — una que corta el espacio-tiempo a lo largo de dos direcciones perpendiculares alternas. Este comportamiento bidimensional lleva a los físicos teóricos a creer que el gravitón tendría un giro dos.,

Se espera que la gravedad sea atendida en una teoría más allá del Modelo Estándar. En un caso extremo de exceso de confianza, algunos teóricos proponen que tal teoría sería una teoría del todo. Dada la historia de la ciencia (y de la vida en general), cualquier cosa que diga ser la representación última de la realidad (científica, económica, cultural o religiosa) está condenada a ser reemplazada por algo más grande y mejor — o al menos, algo menos malo.

nombres, nombres, nombres

El tema de este tema parece ser el de «nombres, nombres, nombres.»,

los grupos de partículas con nombres de físicos
más allá

Partícula grupos con nombres de origen latino
grupo	raíz latina	que significa
nucleones	núcleo	kernel

Partícula grupos con nombres de diverso origen
grupo	fuente	explicación
neutrinos	Enrico Fermi (1901-1954) Italia	italiano diminutivo de neutrones (neutrone)., El Neutrino podría traducirse como el » pequeño neutral «para contrastarlo con el neutrón, que es el»gran neutral».
quarks	Murray Gell-Mann (1929-2019) United States	una expresión arbitraria más tarde asociada con un pasaje en Finnegans Wake — una novela del autor modernista irlandés James Joyce. Quería sonar como una gaviota borracha pidiendo «cuartos» de cerveza.,aternions de valor absoluto 1, {x∈∈: \|x\| =1} difeomorfo a una hiperesfera (3-esfera) homomorfo al grupo de rotación SO(3), el conjunto de todas las rotaciones sobre el origen en el espacio euclidiano tridimensional ordinario U(1) Grupo unitario de 1er orden El conjunto de todas las matrices unitarias 1 × 1 isomorfo al grupo circular, el grupo multiplicativo de números complejos con valor absoluto 1, T = {x∈∈:/x \|=1} isomorfo a So(2), el grupo ortogonal especial de segundo orden lagrangiano ¿Qué es esto?, El Modelo Estándar Lagrangian. ¿Qué dice? Te lo haré saber cuando lo averigüe.