El model estandard de partícules

La física de partícules és la branca de la física que estudia els components elementals de la matèria i les interaccions entre aquests. Es coneix aquesta branca també com a física d'altes energies , pel fet que a moltes d'aquestes partícules només se les pot veure en grans col·lisions provocades en els acceleradors de partícules.

En l'actualitat, les partícules elementals es classifiquen seguint l'anomenat model estàndard en dos grans grups: bosons i fermions. Els bosons tenen spin sencer (0, 1 o 2) i són les partícules que interactuen amb la matèria, mentre que els fermions tenen spin semi-enter (1/2 o 3/2) i són les partícules constituents de la matèria. Al model estàndard s'explica com les interaccions fonamentals en forma de partícules (bosons) interactuen amb les partícules de matèria (fermions). Així, l' electromagnetisme té la seva partícula anomenada fotó, la interacció nuclear forta té el gluó, la interacció nuclear feble als bosons W i Z i la gravetat a una partícula hipotètica anomenada gravitó . Entre els fermions hi ha més varietat; es troben dos tipus: els leptons i els quarks. En conjunt, el model estàndard conté 24 partícules fonamentals que constitueixen la matèria (12 parells de partícules i les seves antipartícules corresponents) juntament amb tres famílies de bosons de gauge responsables de transportar les interaccions.

Els principals centres d'estudi sobre partícules són el Laboratori Nacional Fermi o Fermilab, als Estats Units i el Centre Europeu per a la Recerca Nuclear o CERN, a la frontera entre Suïssa i França . En aquests laboratoris el que s'aconsegueix és obtenir energies similars a les que es creu que van existir al Big Bang i així s'intenta tenir cada cop més proves de l' origen de l'univers.

​Història

L'ésser humà, des de l'antiguitat, ha imaginat que l'Univers on habita està compost de diversos elements; per exemple, Empèdocles al s.  v  a. C. va postular que tot allò existent es podria obtenir de la barreja d'aigua, terra, foc i aire. 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 altres van donar lloc al naixement de la mecànica quàntica. L'efecte fotoelèctric mostrava la naturalesa quàntica de la llum per explicar la seva interacció amb la matèria, anomenant-se fotó al «quant» de llum. Actualment es coneixen altres tres partícules que interactuen amb la matèria, anomenades bosons. Per explicar l'estructura de la matèria van aparèixer diferents models atòmics, essent, cap al 1930, els electrons, protons i neutrons els constituents bàsics de la matèria. Cap a 1960, gràcies a Murray Gell-Mann, es prediuen constituents més elementals per als protons i neutrons, els quarks, per la qual cosa els elements bàsics constituents de la matèria es converteixen en quarks, electrons i neutrins.

Partícules elementals

Els físics de partícules s'han esforçat des del principi per classificar les partícules conegudes i per descriure tota la matèria i les seves interaccions. Al llarg de la història de la física han existit moltes partícules que en el seu moment s'han definit com a indivisibles, com ara els protons i els neutrons, que més endavant s'ha demostrat que si ho són. Després de diferents teories atòmiques i nuclears, actualment s'usa l'anomenat model estandard per 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 a les quals si ho estan se les anomena fermions.

Bosons

Els físics de partícules s'han esforçat des del principi per classificar les partícules conegudes i per descriure tota la matèria i les seves interaccions. Al llarg de la història de la física han existit moltes partícules que en el seu moment s'han definit com a indivisibles, com ara els protons i els neutrons, que més endavant s'ha demostrat que si ho són. Després de diferents teories atòmiques i nuclears, actualment s'usa l'anomenat model estàndard per 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 ia les quals si ho estan se les anomena fermions.

Fermions

Els fermions són partícules amb spin, 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 ; per això el seu nom.

Els fermions són bàsicament partícules de matèria, però a diferència dels bosons, no tots els fermions són partícules elementals. El cas més clar és el dels protons i neutrons; aquestes partícules són fermions, però estan compostos de quarks, que, en el 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.​ Els grups de quarks no poden tenir càrrega de color pel fet que els gluons que els uneixen posseeixen càrrega de color. Les propietats bàsiques d'aquestes partícules es troben aquí:

Les partícules de la taula només tenen càrrega feble carregada (W + i W - ) si són levogires o, per a les antipartícules, si són dextrogires.

Les partícules s'agrupen en generacions. Hi ha tres generacions:

• La primera està composta per l'electró, el neutrí i els quarks up i down.

• La matèria ordinària està formada per partícules d'aquesta primera generació.

• Les partícules d'altres generacions es desintegren en partícules de les generacions inferiors.

Partícules compostes

Els físics de partícules denominen com a hadrons les partícules que es componen d'altres més elementals. Els hadrons estan compostos de quarks, anti-quarks 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.

La interacció forta és la que predomina als hadrons, encara que també es manifesten la interacció electromagnètica i la feble. Les partícules amb càrrega de color interactuen mitjançant gluons; els quarks i els gluons, en tenir càrrega de color, estan confinats a romandre units en una partícula amb càrrega de color neutra.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 de llavors.

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

​Barions

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 hiperions. Dins dels barions hi ha una intensa interacció entre els quarks a través dels gluons, que transporta la interacció forta. Com que els gluons tenen càrrega de color, als barions les partícules que el contenen canvien ràpidament de càrrega de color, però el conjunt del barió roman amb càrrega de color neutra.

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

Mesons

Les mesons són partícules formades per un quark, un antiquark i la partícula que les uneix, el gluó. Totes les fondes són inestables; malgrat això poden trobar-se aïllats pel fet que les càrregues de color del quark i de l'antiquark són oposades, obtenint una fonda amb càrrega de color neutra. Els mesons són a més bosons, ja que la suma dels spins, dels seus quark-antiquark més la contribució del moviment d'aquestes partícules és un nombre enter. Es coneix també que el mesó posseeix interaccions fortes, febles i electromagnètiques.

En aquest grup s'inclouen el pió, el kaó, la J/ψ , i moltes altres. Potser també hi ha mesons exòtiques, encara que no n'hi ha evidència experimental.

Partícules hipotètiques

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

El bosó de Higgs una partícula del model estandard l'existència del qual va ser confirmada el 4 de juliol de 2012, anomenada en aquell moment «la partícula de Déu». Experiments al Gran col·lisionador d'hadrons han confirmat la troballa d'una partícula que podria ser el bosó de Higgs, encara que s'està esperant més precisions. En la formulació del model electro-dèbil, la partícula que podria explicar la diferència de masses dels bosons W i Z i el fotó; es postula que per poder trencar espontàneament la simetria d'un camp de Yang-Mills cal una partícula, ara coneguda com a bosó de Higgs. Aquesta partícula en un camp de Higgs donaria les respostes a aquest interrogant.

El gravitó és l'hipotètic bosó per a la interacció gravitatòria que ha estat proposat en les teories de la gravetat quàntica. No sol formar part del model estandard pel fet que no s'ha trobat experimentalment. Es teoritza que interaccionaria amb leptons i quarks i que no tindria massa.

​Supersimetria

La teoria de supersimetria planteja l'existència de partícules supercompanyes de les actuals partícules existents. Així, entre les més destacades tenim:

El neutralí és la millor candidata, en el model estàndard, per a partícula de matèria fosca. En la teoria de supersimetria, el neutralí és una partícula neutra, estable i superlleugera, que no té una parella simètrica en les partícules ordinàries.

Els leptons i els quarks són els companys supersimètrics dels fermions del model estandard.

El fotino , el wino , el zino , el gravití i el gluino són les partícules supercompanyes dels bosons.

Altres

Un WIMP (de l'anglès: partícula massiva que interactua feblement) són unes partícules hipotètiques proposades per explicar la matèria fosca (com el neutralí o l' axió ).

• El pomeró , usat en la teoria Regge per explicar el fenomen de la dispersió elàstica dels hadrons i la posició dels pols de Regge .

• El skirmión , un solitó topològic per al camp del pion que s'usa per modelar les propietats a baixa energia del nucleó .

• El bosó de Goldstone és una excitació sense massa d'un camp la simetria del qual ha estat trencada espontàniament . Els pions són gairebé bosons de Goldstone per la ruptura de la simetria de l' isospí de la quiralitat a la cromodinàmica quàntica (no ho és perquè té massa).

• El goldstí ( fermió ) es produeix llavors per la ruptura espontània de la supersimetria pel bosó de Goldstone.

• L' instantó és una configuració de camp que és un local mínim d'una acció euclidiana. S'usen en càlculs no pertorbatius de l' efecte túnel.

• Classificació

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·la. 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, usualment 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 de la qual deu ser imaginaria. No s'han detectat cap exemple d'aquest tipus de partícula.

Quasipartícules

Les equacions de camp de la física de la matèria condensada són molt semblants 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 un model que inclou «quasipartícules». S'hi inclouen:

• Els fonons, modes vibratoris en una estructura cristal·lina.

• Els excitons, que són la superposició d'un electró i un buit.

• Els plasmons, conjunt d'excitacions coherents d'un plasma .

• Els polaritons, són la barreja d'un fotó i una altra de les quasipartícules d'aquesta llista.

• Els polarons, que són quasipartícules carregades en moviment que estan envoltades d'ions en un material.

• Els magmons són excitacions coherents dels espins dels electrons en un material.

Principals centres de recerca

Els més importants laboratoris de física de partícules al món són:

• CERN, localitzat entre la frontera Franco - Suïssa prop de la ciutat suïssa de Ginebra. El seu principal projecte actual és el gran col·lisionador d'hadrons, acabada la seva construcció, ha estat posat en funcionament. Aquest és el major accelerador de partícules del món. Al CERN també podem trobar el gran col·lisionador d'electrons i positrons i el Superproton sincrotró .

• Fermilab, localitzat prop de Chicago a Estats Units, compta amb el Tevatrón que pot col·lisionar protons i antiprotons i és el segon accelerador de partícules més energètic del món després del gran col·lisionador d'hadrons.

• Laboratori Nacional Brookhaven, localitzat a Long Island (Estats Units), compta amb un accelerador relativista d'ions pesats que pot col·lisionar ions pesats com l' or i protons polaritzats. Va ser el primer accelerador d'ions pesats i és l'únic que pot accelerar protons polaritzats.

• DESY, localitzat a Hamburg (Alemanya), compta amb l' HERA que pot accelerar electrons, positrons i protons.

• KEK, localitzat a Tsukuba (Japó), és l'organització japonesa de recerca d'altes energies. Aquí s'han produït molts experiments interessants com l' experiment d'oscil·lació del neutrí i l'experiment per mesurar la violació de simetria CP a la fonda B.

• SLAC, localitzat a Palo Alto (Estats Units), compta amb el PEP-II que pot col·lisionar electrons i positrons.

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

Tertúlies