El foco de investigación de la física de partículas moderna son las partículas subatómicas. Partículas subatómicas
Estrictamente hablando, el término "partícula" es inexacto. Todos los objetos estudiados en física de partículas obedecen las reglas de la mecánica cuántica. Todos ellos muestran la dualidad onda-partícula, mostrando las características de las partículas u ondas según diferentes condiciones experimentales. En teoría física, no son partículas ni ondas. Los teóricos los describen utilizando vectores de estado en un espacio de Hilbert. Para obtener una base teórica detallada, consulte la teoría cuántica de campos. Pero siguiendo las convenciones de la física de partículas, en este artículo todavía se hace referencia a estos objetos como "partículas", aunque estas partículas también tienen propiedades ondulatorias. Todas las partículas elementales conocidas hoy en día pueden describirse mediante una teoría cuántica de campos llamada modelo estándar. El Modelo Estándar es actualmente la mejor teoría en física de partículas. Contiene 47 partículas elementales que pueden combinarse entre sí para formar partículas más complejas. Aun así, la mayoría de los físicos de partículas creen que todavía es una teoría incompleta y que aún quedan por descubrir teorías más fundamentales. Los neutrinos descubiertos durante este período tenían una masa en reposo distinta de cero, la primera observación experimental que se desvía del modelo estándar. La física de partículas ha tenido una fuerte influencia en la filosofía de la ciencia. Algunos físicos de partículas todavía adhieren al reduccionismo, una vieja teoría criticada por muchos filósofos y científicos. El descubrimiento de la partícula 2 En 1884, Thomas tenía sólo 28 años y se desempeñaba como director del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido. Los propios llamados "jóvenes" se sorprendieron. Inesperadamente, este joven convirtió un laboratorio mal equipado en la ciudad experimental de física nuclear más prestigiosa del mundo. Thomson y su alumno Rutherford fueron los primeros en demostrar que los rayos X liberan aire. La radiación libre (radiación) se deriva del fenómeno de las ondas electromagnéticas y la radiación de partículas liberadas por los átomos en una amplia gama de energías. Los electrones son partículas subatómicas, y Thomson fue el primero en demostrar la existencia de partículas subatómicas, abriendo la puerta a las partículas subatómicas y dando lugar a su gran contribución a la física nuclear. Más tarde, Thomson confirmó que los rayos X se producen como resultado de la interacción entre los electrones y la materia, y que los electrones se producen como resultado de la interacción entre los rayos X y la materia. También se atribuye a Thomson el primer modelo atómico, el famoso "Plum Pudding Model". Imaginó el átomo como una esfera, llena de cargas positivas pero que también llevaba un número igual de cargas negativas (electrones). En 1906, Thomson ganó el Premio Nobel de Física por sus destacados logros en electrónica y conducción de gases. Estructura básica de las partículas Las partículas subatómicas se pueden dividir en dos categorías: leptones y quarks. Se descubrió que los quarks no existen solos, sino en grupos de dos o tres. Los quarks tienen cargas fraccionarias. Toda la materia ordinaria está compuesta de partículas en el nivel de energía I. Los niveles de energía ⅱ y ⅲ parecen ser copias simples del nivel de energía ⅰ. Las partículas en el nivel de energía ⅰ son altamente inestables. Puede haber capas no descubiertas. Para entender la supersimetría tenemos que hablar de otra gran pista en el análisis de la estructura básica de la materia: la fuerza. Por complejo que sea el zoológico de partículas, parece haber sólo cuatro fuerzas básicas: la gravedad, el electromagnetismo (conocido porque está estrechamente relacionado con la vida diaria), la fuerza débil y la fuerza fuerte. Por supuesto, la fuerza entre neutrones y protones no puede ser una fuerza fundamental, porque los neutrones y los protones en sí son compuestos y no partículas elementales. Cuando dos protones se atraen, lo que en realidad vemos es la fuerza resultante de seis quarks. Hay dos razones para esto. En primer lugar, los quarks tienen tres colores pero sólo una carga, por lo que un fotón corresponde a ocho gluones diferentes. En segundo lugar, los gluones también son coloreados, por lo que también tienen fuertes interacciones entre sí, mientras que los fotones no tienen carga, por lo que son incoherentes entre sí. Hace más de 20 años, algunos físicos teóricos con visión de futuro creyeron de repente que había cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza. Este número parecía demasiado. Es posible que estas cuatro fuerzas fundamentales no sean verdaderamente independientes. Maxwell propuso una fórmula matemática en la década de 1960 que unificaba las fuerzas eléctricas y magnéticas en una única teoría del campo electromagnético. Es probable que haya más síntesis. Un enigma matemático persistente hace que algunos físicos teóricos piensen así. Pero el mismo truco matemático no funciona para las otras tres fuerzas.
La esperanza es que la fuerza electromagnética y las otras tres fuerzas fundamentales puedan de alguna manera combinarse en una sola descripción, y que la docilidad matemática de esta única descripción elimine las otras tres fuerzas excepto la fuerza electromagnética, permitiendo llegar a una fórmula inteligible. Los primeros pasos hacia la consecución de este ambicioso objetivo los dieron en 1967 Stephen Weinberg y Abdul Salam. Transformaron con éxito las expresiones matemáticas de la fuerza electromagnética y la fuerza débil, combinando las dos fuerzas en una expresión matemática unificada. Su teoría muestra que normalmente pensamos en la fuerza electromagnética y la fuerza débil como fuerzas diferentes (de hecho, son cualitativamente significativamente diferentes) debido a las energías extremadamente bajas utilizadas en nuestros experimentos actuales. Por supuesto, "bajo" aquí es relativo: los aceleradores actuales pueden proporcionar suficiente energía para una colisión. Si esta energía se agregara a una bola de billar en lugar de a un protón, ¡la energía liberada podría satisfacer las necesidades de un hogar promedio durante millones de años! Sin embargo, la teoría de Weinberg-Salam tiene una unidad de energía incorporada cuya energía sólo es alcanzable con la tecnología existente en la actualidad. Las energías "bajas" utilizadas en los experimentos actuales mencionados anteriormente también son relativas a esta unidad. En la década de 1970, la evidencia experimental se acumuló gradualmente y la situación se volvió favorable a la teoría de Weinberg-Salam. En 1980 recibieron el Premio Nobel por su trabajo en la investigación de la unificación. En 1971, después de demostrar que el dolor de cabeza del infinito podía eliminarse con una fórmula unificada, como se esperaba, los físicos empezaron a hablar de tres fuerzas fundamentales de la naturaleza en lugar de cuatro. La razón principal por la que el problemático infinito puede ser eliminado es que en la teoría de la fuerza unificada aparecen grupos de simetría más abstractos. Desde hace mucho tiempo se sabe que la hermosa teoría del electromagnetismo de Maxwell es poderosa y hermosa debido al equilibrio y la simetría que se muestran en su descripción matemática. Hay una especie de equilibrio en la teoría de la fuerza unificada, llamado simetría de calibre, que es un equilibrio abstracto. Pero este equilibrio puede traernos a la mente cosas de la vida cotidiana. Se puede utilizar el ejemplo de escalar un acantilado para ilustrar la simetría de calibre. Se necesita energía para subir desde el fondo de un acantilado hasta la cima. Pero hay dos maneras de ascender de abajo hacia arriba. Uno es más corto y sube verticalmente hasta la cima del acantilado; el otro es más largo y sube hasta la cima del acantilado por una pendiente más lenta. ¿Cuál de estos dos métodos es más eficiente? (Ver Figura 24) La respuesta es: la energía consumida por ambos métodos es la misma (aquí ignoramos complicaciones irrelevantes como la fricción). De hecho, es fácil demostrar que la energía necesaria para subir a la cima de un acantilado es independiente del camino elegido. Esta es la simetría de calibre. El ejemplo anterior es una simetría de campo gravitacional normal, porque si quieres subir a la cima de un acantilado, debes vencer la gravedad. La simetría de calibre se aplica tanto a campos eléctricos como a campos magnéticos que son similares a los campos eléctricos pero más complejos. Se ha demostrado que la simetría calibre del campo electromagnético está estrechamente relacionada con la propiedad de los fotones sin masa y también es un factor clave para evitar el catastrófico infinito de la teoría de la fuerza unificada. Weinberg y Salam finalmente domesticaron la fuerza débil y la combinaron con la fuerza electromagnética. Inspirados por el éxito de la teoría del calibre unificado, los físicos centraron su atención en otra fuerza nuclear: la fuerza de color entre quarks. Poco después, se propuso la teoría del calibre de color, y luego algunas personas intentaron usar una simetría de calibre mayor para incluir todas las demás simetrías en una simetría de calibre, unificando la fuerza débil y la fuerza del color en una "gran teoría unificada" (GUT). Es demasiado pronto para evaluar los logros de GUT, pero al menos una de sus predicciones (que los protones pueden volverse inestables y desintegrarse espontáneamente después de un tiempo infinito) ahora se está verificando. Sin embargo, la gravedad todavía desobedeció. Infinitos problemas en Revenge se aferran a la gravedad. Ahora, los físicos se inclinan cada vez más a creer que este problema sólo se resolverá con una teoría superunificada que contenga algún tipo de supersimetría. Un gran grupo de matemáticos y físicos está ocupado creando dicha teoría. El objetivo de esta teoría es el sueño irresistible de una teoría de campo unificado: un campo de fuerza único que cubra todas las fuerzas de la naturaleza: gravedad, electromagnetismo, fuerza débil y fuerza fuerte. Sin embargo, esto no es suficiente. Las partículas cuánticas y las fuerzas entre ellas muestran que cualquier teoría de fuerzas es también una teoría de partículas. Entonces, la teoría superunificada también debería poder describir completamente todos los quarks y leptones, y explicar por qué hay tres niveles de energía de las partículas en la Tabla 1.
4 Nuevos descubrimientos de partículas 2011 El 22 de septiembre, los científicos del Laboratorio Europeo de Física de Partículas midieron partículas subatómicas que se movían más rápido que la velocidad de la luz. Si se confirma, el descubrimiento anularía la teoría de la relatividad de Einstein, la base de la física. Al principio, los científicos se mostraron profundamente escépticos ante este fenómeno, pero después de cuidadosos experimentos, no hubo ningún error en cada proceso. En 1905, Einstein propuso la teoría especial de la relatividad, afirmando que en un ambiente de vacío, nada en el universo puede moverse más rápido que la velocidad de la luz. Esta se ha convertido en la base teórica para que la gente comprenda el universo y el tiempo, y también es una de las bases teóricas de la física moderna. Si este fenómeno superligero se confirma realmente, será de gran importancia y podrá reconstruirse todo el sistema teórico de la física. 5 Propiedades de tres partículas subatómicas Nombre Símbolo Carga absoluta Carga relativa Masa/kg masa/u Masa aproximada/U Electrón e-1.0622×10 negativo 19 veces-19.10939×10 negativo 31 veces 0.000540 Protón p 1.0622×. Siete veces 1,007271 neutrón n001,67493×10 menos 27 veces 1,0066438 0.