Introducción a la Física de Partículas (2024) PDF

Libro: Introducción a la Física de Partículas Sitio: Campus Virtual FFyB - UBA Imprimido por: Julieta Lucia Gomez Curso: Física 2024 1° cuatrimestre Día: domingo, 6 de octubre de 2024,...

Libro: Introducción a la Física de Partículas Sitio: Campus Virtual FFyB - UBA Imprimido por: Julieta Lucia Gomez Curso: Física 2024 1° cuatrimestre Día: domingo, 6 de octubre de 2024, 18:37 Libro: Libro: Introducción a la Física de Partículas Descripción Para descargar el Libro en PDF, acceder al ícono Tabla de contenidos 1. Introducción 2. Materia y Antimateria 3. Algunas propiedades de la materia 4. Modelo estándar 4.1. Partículas Fundamentales y Fuerzas Fundamentales 4.2. Partículas Compuestas 5. Resumen y Repaso 6. Bibliografía Complementaria 1. Introducción :  Es probable que se pregunten qué es la Física de Partículas, por qué estudiarla y qué utilidad tiene en el ámbito de las ciencias de la salud. Seguramente también asocien esta disciplina exclusivamente con la Física como ciencia exacta. Sin embargo, vale señalar que muchas herramientas de investigación y diagnóstico que usarán en su vida profesional utilizan principios de la Física de Partículas para su funcionamiento. Por ejemplo, en el ámbito de la medicina, se utilizan aceleradores de partículas para la formación de imágenes con propósitos diagnósticos y para terapia, en el caso de la oncología. También se utilizan radiofármacos, que son de fármacos marcados con algún isótopo radiactivo. A su vez, los rayos gamma (emitidos en el proceso de desintegración gamma) se emplean en esterilización e incluso con fines diagnósticos y terapéuticos. La Física de Partículas no solo nos proporciona un conocimiento más profundo de la naturaleza, sino que también acaba permeando a la sociedad y se incorpora a nuestra vida cotidiana. Nosotros, como profesionales de la salud, no podemos permanecer ajenos a la ciencia y todo lo que trae consigo. No podemos ignorar la importancia de la física como valor científico, cultural y social, como una forma de acercamiento al conocimiento de la naturaleza y, a la vez, como generadora de nuevas tecnologías. Es así como les damos la bienvenida a la Física de Partículas. ¡Comencemos el recorrido! 2. Materia y Antimateria En la física de partículas se considera que la materia es el conjunto de todas las partículas existentes y que la antimateria es una forma de materia menos frecuente formada por antipartículas. En términos generales, las antipartículas poseen las mismas propiedades y características que las correspondientes partículas, pero su carga eléctrica es de signo contrario. Si una partícula entra en contacto con su antipartícula, se da una aniquilación mutua. Esto no significa su destrucción, sino una transformación que da lugar a la formación de otras partículas de materia o de intercambio. Iremos viendo a lo largo de la asignatura todos estos conceptos. Atención: Se suele utilizar una barra horizontal sobre el símbolo que caracteriza a la antipartícula para diferenciarla de las partículas. ¿Cómo surge el estudio de la antimateria? En 1928 Paul Dirac planteó una ecuación que podría describir el comportamiento de un electrón moviéndose a muy altas velocidades. Esta ecuación (por la que ganó el Premio Nobel en 1933 junto a Erwin Schrödinger) presentaba dos soluciones posibles, una para un electrón con energía positiva y otra para un electrón con energía negativa. Pensar en energías negativas era incompatible con la física clásica. Con estos resultados, Dirac planteó que existirían electrón y positrón, partículas idénticas pero con diferente carga. Así, para cada partícula debería existir su correspondiente antipartícula.. Paul Dirac (Imagen tomada de Wikipedia) Algunos años después, en 1932, Carl Anderson, realizando experimentos para estudiar las partículas cósmicas halló rastros de "algo con carga positiva y la misma masa que el electrón". Había detectado a los antielectrones, a los que nombró positrones. Anderson publicó sus resultados bajo el título The apparent existence of easily deflectable positives (1932). :  La mayor parte de las partículas de la naturaleza tienen su correspondiente antipartícula con igual masa y espín pero diferente carga eléctrica. Por otro lado, ciertas partículas son idénticas a su antipartícula, como el fotón que no tiene carga (¡pero no todas las partículas con carga neutra son idénticas a su antipartícula!). Hoy se plantea que el Big Bang habría creado iguales cantidades de materia y antimateria, pero sigue siendo un misterio por qué hay más materia en el universo que antimateria. No es objetivo de esta asignatura conocer detalles de estas teorías físicas, pero dado que en muchos momentos hablaremos de antipartículas (especialmente cuando veamos fenómenos radiactivos) es importante que tengan noción sobre estos conceptos. Para ampliar (optativo, en inglés): Conferencia Nobel de Dirac. 3. Algunas propiedades de la materia Masa, spin, carga y color, son propiedades de las partículas cuánticas que iremos comprendiendo a medida que avancemos en los temas. Dejamos acá algunas características que es necesario tener presente para avanzar en este libro: Cuando se trata de partículas cuánticas, se suele expresar la masa de éstas en unidades de electronvoltios. Si bien no analizaremos en este curso Teoría de la Relatividad, es en el marco de esta teoría que se plantea la relación E = m·c² (equivalencia masa-energía). Esto da lugar a una unidad de masa correspondiente al eV (despejando m de la ecuación) que se denomina eV/c². El spin es uno de los números cuánticos que permiten caracterizar completamente el estado cuántico de una partícula. Podemos decir que el spin es una medida de lo que se denomina momento angular intrínseco de una partícula (¡pero no hay que confundir este parámetro con algún tipo de movimiento espacial!). El spin puede tomar valores enteros o semi- enteros (0,1,2,...o 1/2,3/2,...), en unidades de la constante de Planck (¡veremos mucho sobre esta constante en próximos Talleres!). Según el spin que tenga una partícula será su comportamiento. Por ejemplo, con respecto a lo que se conoce como Principio de exclusión de Pauli, se da que las partículas con spin semientero lo cumplen, mientras que las de spin entero no. En realidad en el mundo, la cuestión es inversa al modo en que usualmente hablamos sobre fenómenos que cumplen o no leyes o principios de la ciencia. En este caso, si una partícula no puede tomar el estado cuántico de otra se dice que tiene spin semientero y a eso se lo denomina "cumplir" el principio de exclusión. Y para aquellas partículas que tengan como particularidad el poder estar varias en un mismo estado cuántico se dirá que "no cumplen" dicho principio. Por supuesto el comportamiento según el tipo de spin que tiene una partícula es más complejo, pero por ahora tomaremos estas ideas y las profundizaremos a medida que avanza la asignatura. La existencia de esta propiedad se infiere a partir de cómo responden las partículas cuánticas a determinadas condiciones experimentales (tales como el experimento de Stern–Gerlach) en el que si estas partículas son sometidas a un campo magnético tienen una desviación dicotómica y no continua, como resultaría para una partícula clásica. La carga eléctrica es una propiedad relacionada de las partículas, asociada con el modo en que estas interactúan electromagnéticamente. Se habla de carga de color cuando se hace referencia a una propiedad de determinadas partículas para interaccionar mediante lo que se denomina interacción o fuerza fuerte (veremos esto en los capítulos siguientes). La carga de color no tiene que ver nada con los colores visibles usuales, sino que simplemente son una forma de llamar y diferenciar los diferentes tipos de una magnitud física asociada a los quarks. 4. Modelo estándar Como primer paso para abordar esta asignatura veremos una Introducción a lo que se conoce como Modelo Estándar de la Física de Partículas. :  Esta teoría se ocupa de dar cuenta de cuáles son los constituyentes fundamentales del Universo. A estos constituyentes fundamentales se los conoce como partículas elementales y a la interacción que se da entre ellas se las llama fuerzas. Los descubrimientos y las teorías formuladas desde los años ´30 en adelante han permitido tener una visión profunda de la estructura de la materia. El Modelo Estándar fue desarrollado en los años ´70 y desde ese entonces pudo dar cuenta de una importante cantidad de datos experimentales, pero además ha permitido predecir una variedad amplia de fenómenos. Este modelo ofrece un cuadro bastante unificado de las interacciones entre lo que llama partículas elementales y presenta a las fuerzas entre éstas como el intercambio de otras partículas. Hay dos grandes grupos de partículas que principalmente difieren en su spin y, por lo tanto, en su comportamiento: fermiones y bosones. Los fermiones presentan spin semientero y se comportan según el principio de exclusión de Pauli. Cada fermión tiene una antipartícula correspondiente. Los fermiones se pueden clasificar en fundamentales y compuestos. Los bosones tienen spin cero o entero y no obedecen el principio de exclusión de Pauli. Los bosones también pueden clasificarse en fundamentales y compuestos. Les proponemos, como primer paso para comprender el alcance el Modelo Estandar, ver el siguiente video realizado por el FERMILAB (America's Particle Physics and Accelerator Laboratory). Luego recapitularemos lo presentado en este video. No vamos a trabajar en esta asignatura detalles profundos de la Física de Partículas, pero creemos que es central que conozcan según la Física contemporánea, cuáles son los constituyentes del Universo.. El Modelo Estándar (Una de las mejores explicaciones, en …. 4.1. Partículas Fundamentales y Fuerzas Fundamentales. PARTÍCULAS FUNDAMENTALES DE MATERIA. Según se explica claramente en la web del CERN (European Organization for Nuclear Research) toda la materia que nos rodea está compuesta, en última instancia, por las mismas partículas fundamentales: los fermiones fundamentales. Existen dos tipos de fermiones fundamentales: los quarks y leptones. Quarks y leptones incluyen 6 subtipos de partículas, que se organizan en pares o generaciones. Las más livianas y más estables conforman la primer generación, mientras que las más pesadas y menos estables son parte de la segunda y tercera generación. Toda la materia del universo está compuesta de partículas de la primera generación, ya que las partículas más pesadas decaen hacia las de un nivel más estable. :  1- Quarks Estas partículas reciben diferentes nombres según su subtipo. UP y DOWN son los quark de primera generación. El resto se denominan CHARM y STRANGE, y TOP y BOTTOM. Estos seis subtipos se denominan sabores. Lo característico de los quarks es que presentan, además de masa, spin y carga eléctrica, una propiedad denominada color o carga de color. Cada sabor de quark se puede presentar en tres colores posibles (rojo, verde o azul), que se intercambian continuamente. Por supuesto la propiedad de carga de color no hace referencia a la escala de colores conocida por todos (que se relaciona con la absorción de luz visible) sino a cómo interaccionan. A la fecha, no se han encontrado partículas con carga color aisladas. Los quarks se encuentran confinados en grupos con otros quarks con distinta carga color, formando partículas compuestas sin carga color neta. Vale aclarar que las correspondientes antipartículas también tienen carga color. Los antiquarks pueden tener tres anticolores posibles (a veces representados como antirrojo, antiverde, antiazul, o como cian, magenta y amarillo). 2- Leptones Los leptones también se organizan en generaciones: el ELECTRÓN y ELECTRÓN-NEUTRINO, el MUÓN y el MUÓN-NEUTRINO, y el TAU y el TAU-NEUTRINO. El electrón, el muón y el tau tienen carga eléctrica y masa considerable, mientras que los neutrinos son neutros y su masa es muy baja. Los leptones carecen de carga color.. FUERZAS FUNDAMENTALES Y PARTÍCULAS FUNDAMENTALES PORTADORAS DE FUERZAS. Según el Modelo Estándar, existen cuatro fuerzas fundamentales en el Universo: la fuerza fuerte, la fuerza débil, la fuerza electromagnética y la fuerza gravitacional. La fuerza gravitacional es la más débil de todas las fuerzas y presenta rango infinito. Otra fuerza con alcance infinito es la fuerza electromagnética, pero esta fuerza es mucho más intensa que la gravitacional. Las fuerzas fuerte y débil solo actúan a cortas distancias, es decir, no presentan alcance infinito. La fuerza fuerte es la más fuerte de todas estas fuerzas. Los bosones son los mediadores de fuerza, es decir, son las partículas responsables de que estas fuerzas tengan lugar en el Universo (ya que el Modelo Estándar plantea que las fuerzas no son otra cosa que un intercambio de bosones entre fermiones). El modelo de intercambio de partículas plantea que la fuerza es la expresión empírica de un intercambio de bosones en tanto paquetes discretos de energía. Con cada fuerza fundamental evidenciada en la naturaleza se corresponde, por supuesto, un tipo de bosón fundamental: - Los FOTONES son las partículas de intercambio responsables de la fuerza electromagnética. Así, dos partículas cargadas interactúan por intercambio de fotones. Los fotones son los portadores de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio. - Los GLUONES son las partículas de intercambio responsables de la fuerza fuerte, que mantiene unidos a los quarks formando partículas compuestas sin carga color (como los protones y los neutrones, por ejemplo). El intercambio de un gluón entre dos quarks (o dos antiquarks) genera un cambio de color entre dichos quarks (o antiquarks). Este intercambio continuo de color mediado por gluones es el mecanismo que subyace a la fuerza fuerte. - Los BOSONES W y Z son las partículas de intercambio responsables de la fuerza débil. La interacción débil está involucrada en la transmutación de quarks (cambio de sabor). Así, esta interacción está involucrada en muchos decaimientos de partículas nucleares, que implican el cambio de sabor de un quark en otro. Como veremos cuando abordemos decaimiento radiactivo, el decaimiento beta se explica por interacción débil. :  La fuerza gravitacional según esta teoría debería tener un bosón correspondiente. A esta partícula se la ha llamado GRAVITÓN en forma teórica ya que nunca fue detectada. El fenómeno gravitatorio no puede ser, hasta hoy, explicado por la Teoría Estándar y no se incluye dentro de la misma, al menos hasta que el gravitón sea detectado. Pero deben haber oído hablar sobre las "ondas gravitacionales" por estos días... En la siguiente figura se resume lo descripto hasta aquí.. Partículas fundamentales Imagen tomada de Wikipedia.. Fuerzas fundamentales Adaptado de Hyperphysics 4.2. Partículas Compuestas :  Como adelantamos en el capítulo anterior, los quarks, en tanto partículas fundamentales, pueden interactuar para combinarse y formar partículas compuestas sin carga de color. A estas partículas compuestas se las denomina Hadrones. Es la fuerza fuerte la que mantiene unidos a los diferentes quarks que conforman un hadrón. Los Hadrones se subdividen en dos tipos: Bariones (formados por 3 quarks) y Mesones (formados por un quark y un antiquark). Protones y neutrones son ejemplos de bariones, mientras que los piones son ejemplos de mesones. Por otro lado, según el spin que presente cada partícula se da la clasificación que presentamos al comienzo. Así los bariones (que tienen spin semientero) son fermiones compuestos, mientras que los mesones (que tienen spin entero) son bosones compuestos. Discutamos con mayor detalle ejemplos de estas partículas compuestas a la luz del modelo estándar. Como vimos antes, protones y neutrones son fermiones compuestos, es decir, partículas de materia compuestas. A continuación se detallan sus principales características:. Resta finalmente hacer un breve comentario sobre los piones. Los piones tienen spin entero, de modo que se comportan como bosones compuestos. De hecho, son partículas intercambiadores de fuerza (compuestas, porque están formadas por un quark y un antiquark, a diferencia de las partículas de fuerza fundamentales que discutimos antes). Los piones son las partículas de intercambio responsable de un tipo de fuerza que hasta ahora no discutimos, la Fuerza Fuerte Residual, que es la responsable de mantener unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico. Protones y neutrones intercambian piones y, en este proceso, un protón se transforma en un neutrón y viceversa (razón por la cual se habla de nucleones "al estado protón" o "al estado neutrón"). 5. Resumen y Repaso :  A modo de integración, relectura, repaso o ampliación de algunos temas, aprovechá para mirar estas diapositivas 1 Google Slides Para descargar la presentación, seguir el LINK. 6. Bibliografía Complementaria Sears & Zemansky, Fisica Universitaria. 13ª Edición CERN- recursos web Hyperphysics :