La Estructura Electrónica de los Átomos. El mundo material consiste principalmente en dos disciplinas: lo abstracto y lo sólido.Lo abstracto trata de ciertos subconjuntos de religión, filosofía, literatura y matemáticas . Lo sólido está relacionado con la química; Es la disciplina científica la que estudia las propiedades, composición, unión, reacción y transformación de la materia. John Dalton publicó sus teorías sobre la teoría atómica moderna, que consta de cinco puntos importantes. Se consideran en su mayoría verdaderos en nuestros días, (Wikipedia). Los elementos están compuestos de pequeñas partículas llamadas átomos. Todos los átomos de un elemento dado son idénticos. Los átomos de un elemento dado son diferentes de los de cualquier otro elemento; Los átomos de diferentes elementos se pueden distinguir entre sí por sus respectivos pesos relativos. Los átomos de un elemento se pueden combinar con los átomos de otros elementos para formar compuestos químicos; un compuesto dado siempre tiene el mismo número relativo de tipos de átomos. Los átomos no pueden crearse, dividirse en partículas más pequeñas, ni destruirse en el proceso químico; una reacción química simplemente cambia la forma en que se agrupan los átomos. La diferencia de este modelo reciente y su teoría es que Dalton no se dio cuenta de los isótopos, que tienen diferentes pesos y caracteres, y no distinguió entre la reacción nuclear y la reacción química. La reacción nuclear puede dividir los átomos en partes pequeñas, que es diferente de la reacción química. 1.1 Estructura atómica Electrones, Protones y Neutrones Electrones Los electrones son las partículas cargadas negativamente del átomo. Juntos, todos los electrones de un átomo crean una carga negativa que equilibra la carga positiva de los protones en el núcleo atómico. Un electrón tiene una masa que es aproximadamente 1/1836 la del protón. La masa de un electrón es casi 1.000 veces más pequeña que la masa de un protón. Protones Junto con los neutrones, los protones forman el núcleo, unidos por la fuerza fuerte. El protón es un barión (hadrón) y se considera que está compuesto de dos quarks up y un de quark down. Vea la sección del Modelo Estándar de partículas elementales, con bosones Neutrones El neutrón es una partícula de hadrón subatómica que se compone de un quark up y dos quarks down. El número de protones en un núcleo es el número atómico y define el tipo de elemento que forma el átomo.
Los neutrones son necesarios dentro de un núcleo atómico, ya que se unen con protones a través de la fuerza nuclear; Los protones no pueden unirse entre sí debido a que su repulsión electromagnética mutua es más fuerte que la atracción de la fuerza nuclear. El número de neutrones determina el isótopo de un elemento. Por ejemplo, el abundante isótopo carbono-12 tiene 6 protones y 6 neutrones, mientras que el muy raro isótopo radioactivo 14 tiene 6 protones y 8 neutrones. 1.2 El modelo estándar de partículas elementales Como se mencionó anteriormente, los átomos se componen de 3 tipos de partículas de electrones, protones y neutrones. Los electrones son partículas muy pequeñas y ligeras que tienen cargas negativas. Los protones son mucho más grandes y pesados que los electrones y tienen carga positiva. Los neutrones son grandes y un poco más pesados que los protones, y no tienen cargas eléctricas, Figura (1.1). Figura (1.1): Estructura atómica.
Hoy en día, los científicos han demostrado, teórica y experimentalmente, que los protones y los neutrones están formados por partículas aún más pequeñas, llamadas quarks. Las par tículas que no pueden romperse más, como los quarks, a veces les llaman partículas fundamentales. Los científicos ahora creen que el núcleo de un átomo (el núcleo solo tiene protones y neutrones), tiene protones y neutrones hechos de partículas más pequeñas: los quarks y otros tres tipos de partículas. Los leptones, los bosones que transportan la fuerza y el bosón de Higgs, que son verdaderamente fundamentales y no se pueden dividir en nada más pequeño. En la década de 1960, los físicos estadounidenses Steven Weinberg y Sheldon Glashow y el físico pakistaní Abdus Salam (compartieron el premio Nobel por su descubrimiento) desarrollaron una descripción matemática de la naturaleza y el comportamiento de las partículas elementales.
El término "partículas elementales" tiene el mismo significado que las "partículas fundamentales", pero se usa de manera más general para incluir algunas partículas subatómicas que están compuestas por otras partículas. Es la teoría, conocida como el Modelo Estándar El modelo de física de partículas ha avanzado mucho en la comprensión de las partículas y fuerzas fundamentales en el universo. Algunas preguntas sobre las partículas, siguen sin respuesta por el modelo estándar, y los físicos continúan desarrollando una teoría que explicará aún más acerca de muchas partículas emitidas desde el universo. Los átomos pueden clasificarse en una de las dos categorías denominadas fermiones y bosones. Los fermiones son partículas fundamentales que forman los protones y neutrones. Los bosones, fundamentalmente transportan fuerzas entre las partículas y crean su masa. Bosón es el nombre de una clase genérica de partículas. El bosón de Higgs es uno, pero también lo son muchas otras partículas. Todas las partículas que transportan fuerzas (gluones, W y Z y el fotón, también el gravitón, si existe) son bosones. Quarks, electrones y neutrinos, por otro lado, son fermiones. La diferencia entre ellos es solo por su rotación llamado spin. Pero en este contexto, el spìn es un número cuántico del momento angular. Es un poco como si la partícula estuviera girando, pero eso es realmente una analogía, ya que las partículas fundamentales similares a puntos no podrían girar, y de todos modos los fermiones tienen un giro tal que en una analogía clásica tendrían que girar dos veces para regresar donde empezaron.La mecánica cuántica está llena de analogías semi engañosas como esta. En cualquier caso, el spin es importante.
Los bosones tienen, por definición, una giro entero. El bosón de Higgs tiene cero, el gluón, el fotón, W y Z tienen uno, y se postula que el gravitón tiene dos unidades de giro. Los quarks, electrones y neutrinos son fermiones, y todos tienen media unidad de giro. La tabla (1) muestra la diferencia. Tabla (1): Diferencia entre fermiones y bosones. Fermiones ( medio giro ) Solo uno por estado, electrones, protones, neutrones, quarks y neutrinos
Bosones ( giro entero ) Muchos pueden ocupar los mismos estados, fotones, átomos de He4 , gluones y gravitones Wolfgang Pauli, un estadounidense austriaco, comprobó que no hay dos electrones que tengan el mismo momento y ubicación. Esto fue llamado el Principio de Exclusión. El principio de exclusión se desarrolló para incluir todas las partículas que obedecen a tal principio. Los Fermiones, en honor del físico italiano estadounidense Enrico Fermi, que incluye quarks y leptones, obedecen la teoría del principio de exclusión.
El físico germano-estadounidense y un matemático indio Satyendra Bose demostraron que los bosones, ver Figura (1.2) mas abajo, sugirieron que no obedecían el Principio de Exclusión. Los bosones, en honor a Bose, incluyen fotones, gluones y fuerzas débiles. El Principio de Exclusión puede basarse en el número de fermiones. Si el número de fermiones es par, entonces el átomo no obedece el Principio de Exclusión. Si es impar, entonces obedece el Principio de Exclusión. Ejemplo: el hidrógeno tiene un protón (un protón tiene tres quarks) y un electrón (un electrón es un leptón); Por lo tanto, no obedece a la teoría de la exclusión. Un átomo de hidrógeno pesado (deuterio) tiene un protón (3 quarks), un neutrón (3 quarks) y un electrón (1 leptón). Por lo tanto, el número de quarks es impar y obedece al principio de exclusión. Figura (1.2): Fermiones y bosones que forman el átomo.
¿Qué significa el principio de exclusión en la vida práctica? Considere los cables de cobre y hierro para la conducción de electricidad. Los electrones en el cable de cobre "siguen" el Principio de Exclusión, mientras que los electrones en el cable de hierro solo "siguen ligeramente" el Principio de Exclusión. Por lo tanto, los cables de cobre son mejores que el cobre y el hierro en la conducción de electricidad. El láser y los fotones (luz) no obedecen al principio de exclusión; Son bosones, y tienen propiedades idénticas. Esta característica de la luz y el láser los hace formar haces consistentes y sólidos que pueden viajar una larga distancia. El núcleo de un átomo es un fermión o un bosón dependiendo de si el número total de sus protones y neutrones es impar o par. Ciertos átomos pueden cambiar su comportamiento si están sujetos a condiciones extremadamente inusuales, como atmósferas muy calientes o muy frías. Los bosones son similares a la gravedad de nuestra tierra. La gravedad no se puede ver, pero lleva una piedra, por ejemplo, desde un nivel superior al nivel del suelo. Los bosones transportan las cuatro fuerzas básicas en el universo: el electromagnético, el gravitatorio, la fuerza fuerte (los gluones que mantienen unidos a los quarks) y las fuerzas débiles que causan la descomposición del átomo (ver decaimiento beta). La fuerza electromagnética es la une los electrones a los núcleos atómicos (grupos de protones y neutrones) para formar átomos. La fuerza gravitatoria actúa entre objetos masivos. Aunque no juega ningún papel a nivel microscópico (entre los átomos), es la fuerza dominante en nuestra vida cotidiana y a lo largo del universo. La fuerza fuerte es responsable de que los quarks se "peguen" para formar protones, neutrones y partículas relacionadas. La fuerza débil facilita la descomposición de partículas pesadas en hermanos más pequeños.
1.3 El Modelo Estándar El bloque de construcción más fundamental de toda la materia: la materia que constituye todo, desde células procariotas y eucariotas hasta personas, galaxias y supernovas, y no puede descomponerse en nada más pequeño, son las partículas conocidas como partículas subatómicas. Por ejemplo, el átomo está hecho de protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones están hechos de partículas llamadas quarks, y los electrones están hechos de leptones. La figura (1.3) muestra un átomo de helio con sus quarks y leptones subatómicos.
¿Qué es una fuerza? Tomemos este ejemplo. Puede que hayas oído hablar de la gravedad. La gravedad es la fuerza que todos los objetos con masa ejercen unos sobre otros, juntando los objetos. Hace que una bola lanzada al aire caiga a la tierra y los planetas orbitan alrededor del sol. Las diminutas partículas que forman la materia, como los átomos y las partículas subatómicas, también ejercen fuerzas unas sobre otras. Estas fuerzas no son la gravedad, pero son fuerzas especiales que solo usan estas partículas. Hay varias clases de fuerzas que las partículas pueden ejercer unas sobre otras. Estas fuerzas pueden hacer que una partícula atraiga, repele o incluso destruya otra partícula. Por ejemplo, un tipo de fuerza subatómica, conocida como fuerza fuerte, une los quarks para hacer protones, neutrones y otras partículas.
El modelo estándar tiene tres componentes: quarks, leptones y bosones (transportadores de fuerza). Los quarks y los leptones se clasifican en tres generaciones como se ve en la Figura (2) anterior. Por ejemplo, la primera generación de quarks está up (arriba) y down (abajo), la segunda generación es la charm y la strange, y la tercera generación es top (superior) y bottom (inferior). Los leptones tienen la primera generación de electrón neutrino la segunda generación tiene el moun neutrino , y el muon, y la tercera generación tiene el tau neutrino y el tau . Los electrones, como los protones y los neutrones, son estables. Los muones y los taus son inestables debido a su alta energía, y se encuentran en procesos de descomposición.
Bosones son las fuerzas subatómicas
(fuerzas)
1.4 Partículas de antimateria Paul Dirac, un físico británico, propuso una teoría de antipartículas que se combinan para formar antimateria. Las antipartículas y partículas tienen la misma masa, pero su carga eléctrica y su carga de color son diferentes. La carga eléctrica y la carga de color determinan cómo reaccionan las partículas entre sí. Tanto los fermiones como los bosones tienen sus propias antipartículas. Como los protones consisten en quarks, los antiprotones consisten en anti quarks; un antiprotón tiene dos anti quarks up (arriba) y otro anti quark down (abajo). Del mismo modo, un anti neutrón tiene dos anti quarks down (abajo) y uno anti quark up (arriba). El antielectrón se denomina positrón, y el muón y el tau tienen el anti muón y anti tau. Las antipartículas de los neutrinos se llaman anti neutrinos. Los neutrinos y los antineutrinos no tienen carga eléctrica ni carga de color. El antineutrino acompaña al leptón cuando un protón y un neutrón decaen, y el anti neutrino y el neutrino equilibran la salida del decaimiento, Figura (1.4). La reacción que absorbe el neutrino no absorbe el antineutrino y viceversa. Figura (1.4): Decaimientos de protones, neutrones y fermiones
Las partículas hechas de quarks se llaman hadrones que no son fundamentales, ya que consisten en quarks. En la naturaleza se pueden encontrar hadrones como mesones y bariones. Los mesones consisten en dos quarks, y los bariones consisten en tres quarks. Como un bosón tiene dos fermiones (quarks o leptones), los mesones son bosones. El primer mesón que detectaron los físicos fue el pión. Los piones existen como intermediarios entre protones y neutrones. Resumiremos las cuatro fuerzas intermedias: electromagnética, gluones, piones y fuerzas débiles en un diagrama de Feynman, Figura (1.5). Figura (1.5): Las cuatro fuerzas intermedias (diagramas de Feynman)
Los piones se clasifican como partículas intermedias en los núcleos de los átomos. Son piones positivos, piones negativos y piones neutros como las siguientes ecuaciones:
Pion (π +) = u + d + = 2/3 +1/3 = 1 Pion (π -) = u - + d = -2 / 3-1 / 3 = -1 Pion (π) = u + u - = 2 / 3-2 / 3 = 0 El promedio de vida del pión positivo es de 26 nanosegundos (nanosegundo = 10 -6 segundos), que es el mismo que el tiempo de vida del pión negativo. El tiempo promedio del pión neutro es de 9 femtosegundos (femtosegundos = 10-15 segundos). El núcleo de un átomo se vuelve a dibujar para mostrar las cuatro fuerzas anteriores, Figura (1.6).
Figura (1.6): Fuerzas en un átomo.
Los bosones son el tercer componente del modelo estándar y son portadores de la fuerza intermedia. El modelo estándar no es una teoría exhaustiva, ya que no explica por qué algunas partículas tienen masa. Peter Higgs (1929), un físico teórico británico, presentó su partícula "El bosón de Higg" que podría mejorar el modelo estándar. Incluso con el bosón de Higg, el modelo estándar no incorpora la gravedad, que no desempeña un papel significativo en la materia microscópica (como los átomos y los subátomos), porque la gravedad es una fuerza despreciable en los procesos de fermiones. Los físicos ahora están buscando una gran teoría unificada que incluya todas las fuerzas.
La Teoria unificada La Teoría Unificada incluye los gluones (las fuerzas fuertes o las fuerzas de color), los bosones W y Z (las fuerzas débiles debidas a la radiación), los fotones (las fuerzas electromagnéticas) y los gravitones (las fuerzas de gravedad), Figura (1.7). Figura (1.7): La Gran Teoría Unificada.
Las fuerzas débiles (W +, W - y Zo) decaen para producir otras partículas. Cuando las fuerzas débiles W + y W -, interactúan, cambian a partículas con diferentes cargas. Por ejemplo, en Beta Decay, uno de los quarks down en un neutrón se convierte en un quark up y el neutrón libera un W -boson (o uno de los quarks up en un protón se convierte en un quark down y el protón libera un W + bosón). Este cambio en el tipo de quark convierte el neutrón (dos quarks down y un quark up) en un protón (un quark down y dos quarks up). El bosón W liberado por el neutrón podría descomponerse en un electrón y un antineutrino electrónico, Figura (1.8). En las interacciones Zo, una partícula se convierte en una partícula con la misma carga eléctrica.
Figura (1.8): decaimiento de neutrones en un protón que libera W, que luego se descompone en un electrón de alta energía y un antineutrino electrónico.
Los bosones Z se producen cuando los protones y los antiprotones chocan: Aquí hay otros métodos para producir bosones Z, Figura (1.9).
1.6 El bosón de Higgs El Bosón de Higgs no es un portador de fuerza, pero los científicos creen que le da masa a las partículas elementales. De la masa de un protón proviene la masa de sus quarks, así como la energía de la fuerza fuerte (gluones) que mantienen a los quarks unidos. Los quarks, en efecto, no tienen una fuente de masa, por lo que los científicos introdujeron el bosón de Higgs. Así, los quarks obtienen su masa interactuando con los bosones de Higgs. El bosón de Higgs, los científicos están tratando de crearlo mediante el forzamiento de pequeñas partículas a chocar con una alta aceleración de dichas partículas. La energía liberada de la colisión podría convertirse en el bosón de Higgs. En teoría, el bosón de Higgs tiene una gran masa en comparación con otras partículas fundamentales. El bosón de Higgs se puede producir chocando quarks o leptones juntos. La Figura (1.10) muestra métodos para producir bosones de Higgs de alto nivel y de tipo de partícula escalar neutra. Figura (1.10): La colisión de quarks o leptones para producir bosones de Higgs.
A pesar del notable desarrollo del modelo estándar para describir la física de partículas, el origen de cómo los quarks y los leptones tienen masa es todavía una discusión abierta. La respuesta a este dilema es el bosón de Higgs. Los científicos están tratando de encontrar el bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones CERN LHC. Se espera que el bosón de Higgs se produzca por fusión gluon-gluon (g-g-> H) o colisión (q-q -> H) (como se muestra en la Figura (10) anterior). La producción del bosón de Higgs depende del modo de descomposición de Higgs. Por ejemplo, si el Higgs se produce a continuación 91.2 GeV y 80.4 GeV, entonces el bosón de Higgs se descompondrá en un par de b-quarks. La descomposición del bosón de Higgs depende del nivel de GeV de producción. Dos experimentos están cerca de descartar una partícula de Higgs con una masa de 165 GeV / c2 y 175 GeV / c2. En el colisionador de partículas Tevatron y el colisionador de fermilab, los científicos aumentaron el GeV en pasos (5 GeV). Esto se hizo debido a la forma en que se esperaba que la partícula de Higgs interactuara con otras partículas subatómicas, por lo tanto, el resultado podría detectarse de manera eficiente, o alternativamente, excluir las partículas por debajo de 114.4 GeV, y considerar aquellas por encima de 160 GeV. En 2009, el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN comenzará su búsqueda del bosón de Higgs. El LHC producirá colisiones de partículas con siete veces la energía del colisionador Tevatron en Batavia, Illinois.
1.7 Higgs Bosons y el Universo La búsqueda del bosón de Higgs ha estado activa durante diez años, tanto en el Large Electron Positron Collider (LEP) del CERN en Ginebra como en el Fermilab en Illinois. El bosón de Higgs (si se encuentra debido a la colisión de otras partículas) solo permanecerá durante una pequeña fracción de segundo. Los científicos creen que el bosón de Higgs es responsable de la masa de partículas, la cantidad de materia en una partícula. Si el universo fue creado de la nada (teoría de la Nada), entonces, ¿por qué tiene miles de millones de estrellas y galaxias de masas colosales? Según la teoría de Higgs, una partícula adquiere masa a través de su interacción con el campo de Higgs, que se cree para penetrar en todo el espacio y se ha comparado con las melazas que se adhieren a cualquier partícula que ruede por él. El campo de Higgs sería transportado por bosones de Higgs, al igual que el campo electromagnético es transportado por fotones. Cuando cualquier partícula golpea (o se pega) al campo de Higgs, la partícula gana masa. Según el modelo estándar, al comienzo del universo había seis tipos diferentes de quarks. Los quarks top solo existieron por un instante (el tiempo de vida es de 10 segundos antes de descomponerse en un quark de fondo y un bosón W, lo que significa que aquellos creados en el nacimiento del universo se han extinguido. Sin embargo, en el Tevatron de Fermilab, el colisionador más poderoso del mundo, las colisiones entre miles de millones de protones y antiprotones producen un quark top ocasional. A pesar de sus breves apariciones, estos collares pueden ser detectados y caracterizados por el colisionador. El quark inferior y el bosón W (que se convierte en partículas arriba y abajo) liberan energía como un chorro, Figura (1.11). -25
Figura (1.11): Colisión de protones y antiprotones.
En el Modelo estándar, la masa del bosón de Higgs está correlacionada con la masa del quark top (dice Madaras desde los equipos experimentales que trabajan en los dos grandes sistemas detectores de Tevatron, D-Zero y CD), "por lo tanto, una medida mejorada de la masa del quark top dará más información sobre la posible existencia del bosón de Higgs ”.
1.8 Cómo el campo de Higgs creó la masa de todas las cosas
Se supone que el campo de Higgs es responsable de la génesis de la masa inercial. Cuando el universo estaba extremadamente caliente tenía cero potencial y cero energía cinética. Cuando el universo comenzó a enfriarse, el campo de Higgs asumió cierta energía cinética (valor no nulo), pero la energía potencial aún tenía valor nulo (tal argumento no tiene un consenso único entre los físicos). El campo de Higgs (con energía potencial cero y energía cinética no cero) continuó influyendo en todo el universo (uniforme en todo el universo). La energía cinética aumenta cuando baja la temperatura. Según la teoría de Einstein e = mc 2, el concepto de equivalencia masa-energía une los conceptos de conservación de la energía y conservación de la masa. Esto permite que la energía cinética o la radiación de luz se conviertan en partículas que tienen masa en reposo, y permite que la masa en reposo se convierta en otras formas de energía. La cantidad total de masa / energía permanece constante porque, la energía no puede ser creada o destruída en todas sus formas. En la relatividad y la mecánica cuántica, masa y energía son dos formas de la misma cosa, y ninguna de ellas aparece sin la otra. Ahora, supongamos que una partícula fundamental (quark o leptón) se mueve en este campo uniforme de Higgs; la energía del campo de Higgs ejercerá una cierta cantidad de resistencia o obstáculo, particularmente si la partícula cambia su velocidad; es decir, acelera. Ahora la partícula tiene masa inercial debido a la resistencia ganada. Un grupo de partículas (por ejemplo, los quarks) se unirán entre sí debido al efecto de otras interacciones, como la interacción fuerte gobernada por la fuerza de los gluones, que unen los quarks en protones y neutrones. Ahora aumenta la masa de protones y neutrones (y átomos). El grado de resistencia (obstáculo) del campo de Higgs no es el mismo con todos los tipos de quarks y leptones, ya que son diferentes en forma y tipo. Esto crea la diferencia entre la masa de un leptón y la de un quark. Esto significa que si el campo de Higgs no existiera, entonces todas las partículas no deberían tener masa, como los fotones. La teoría de la unificación establecía que cuando la temperatura del universo era extremadamente alta, todas las diferencias entre todas las partículas desaparecían y todas las fuerzas eran una. 1.9 Diagrama de Feynman Los procesos de partículas de interacción electromagnética y débil fueron desarrollados por el físico Richard Feynman. Los diagramas que introdujo, proporcionan un método conveniente para el cálculo de las tasas de interacción. En sus diagramas, todas las partículas están representadas por líneas continuas, con líneas rectas que representan fermiones y líneas onduladas que representan bosones. El bosón de Higgs suele estar representado por una línea discontinua. Los gluones están representados por bucles. Las partículas que entran o salen de un diagrama de Feynman corresponden a partículas reales, mientras que las líneas intermedias representan partículas virtuales como fotones y fuerzas débiles. Las partículas reales deben satisfacer la relación energía-momento E2 = p2 c2 + m2 c4, donde E es energía, P es momento, m es masa y c es la velocidad de la luz.
Las siguientes reglas se pueden usar para representar los diagramas de Feynman, Figura (1.12).
Los ejemplos se muestran en la Figura (1.13) a continuaciรณn. Figura (1.13): Representaciรณn de la interacciรณn entre electrones, positrones y fotones.
En la Figura (1.14) se muestran interacciones similares entre fermiones (quarks y leptones). Figura (1.14): Representaciรณn de la interacciรณn entre fermiones.
1.10 Supersimetría El estudio de un átomo necesita dos principios: el principio de la mecánica cuántica (el átomo consiste en partículas muy infinitesimales) y el principio de la relatividad (conversión de masa y energía). El matrimonio entre los dos se llama teoría cuántica de campos. La teoría del campo cuántico es la teoría detrás de la antimateria y la clave detrás de la supersimetría. Un electrón es una partícula puntual, y no tiene tamaño, pero tiene 0.511 MeV. Esto no coincide con la teoría de Einstein, que dice que la energía tiene masa. La pregunta es por qué un electrón tiene una gran cantidad de energía y tiene un tamaño (masa) insignificante. Hay dos respuestas a la pregunta anterior: o el fotón tiene una masa, o algunas otras partículas se oponen al movimiento del electrón. Como el fotón no tiene una masa, entonces la otra partícula que se opone al movimiento del electrón es la respuesta correcta. Es el positrón que es la antimateria del electrón. De manera similar, un protón tiene dos quarks up y un quark down de una energía total de 9.6 MeV. Un neutrón tiene dos quarks down y un quark up de una energía total de 12MeV. La diferencia calculada es 2.4 MeV y la diferencia real es 1.293 MeV. Por lo tanto, debe haber antiquarks para equilibrar la energía en un núcleo. La teoría supersimetría estipula que cada tipo de bosón (espín = 1) interactúa con un tipo de fermión (espín = 1/2), o que la diferencia entre una fuerza y un fermión es 1/2 vuelta. La teoría da a cada partícula que transmite una fuerza (un bosón) una partícula asociada (fermión), y viceversa. Esto significa que un fermión no puede coexistir con una fuerza. El fermión y el bosón se llaman superpartners, Figura (1.15). La tabla (2) muestra partículas conocidas que transmiten fuerzas y sus superpartners.
Figure (1.15): Partners and superpartners
Table (2): Forces and their superpartners Nombre
spin
superpartner
spin
graviton photon
2 1
gravitino photino
3/2 ½
gluon
1
gluino
W+ and
1
Wino+ and
W-
1
Wino”
Z0
1
Zion
electron 1/2 se½ lecton 0 1/2 1/2 muon 1/2 1/2
smoun
0
tau
1/2
stau
0
neutrino
1/2
sneutrino
0
quark
1/2
squark
0
Los superpartners no se han detectado o visto en ningún experimento anterior, pero los científicos esperan verlos en experimentos futuros. Los experimentos están en marcha en el CERN (discutiremos esto más adelante) y Fermilab para detectar partículas de compañero supersimétricas. Si eso sucediera, podría llevar a la prueba de la teoría de cuerdas.
1.11 Teoría de cuerdas El modelo estándar incluye partículas que se mueven en el espacio sin libertad. Tiene que considerar diferentes interacciones distintas de la posición y la velocidad de tales partículas. Las interacciones como la masa, la carga eléctrica, el color y el giro podrían dar más libertad al modelo estándar. El modelo estándar combina la mecánica cuántica y la relatividad para incluir fuerzas electromagnéticas, fuertes y débiles. Excluye la gravedad que fue descrita en la teoría de la relatividad. Por lo tanto, el modelo estándar no tiene sentido si se descuida la gravedad. La dificultad de combinar la gravedad en el modo se debe al hecho de que los gravitones (los gravitones median las interacciones gravitacionales) se vuelven infinitos y no pueden interactuar con partículas finitas como gluones, electrones, muones, quarks, Ws, etc. En la teoría de cuerdas, todas las partículas, incluidas las fuerzas, se reemplazan por un bloque de construcción llamado cadena. La forma de la cuerda se mueve como un niño salta en un trampolín, o como una cuerda de una guitarra vibra en todas direcciones. El trampolín puede abrirse o cerrarse como una pelota, y es libre de vibrar en todas las direcciones. La cuerda vibra en 11 dimensiones (una dimensión para el tiempo y 10 dimensiones para el espacio). Además, la cuerda vibra en diferentes modos, llevando las cuatro fuerzas, a saber, electromagnética, débil, fuerte y gravitón. La Teoría de cuerdas ha recibido tanta atención, porque ha unificado todas las partículas y mediadores en un bloque llamado "Teoría de todo". Los teóricos querían simplificar la teoría de cuerdas dividiéndola en dos teorías de subcadena: la Teoría de Cuerdas Bosónica y la Teoría de Cuerdas Fermiónica. Así, los quarks, por ejemplo, no se incluyeron en la Teoría de Cuerdas Bosónica, y los bosones no se incluyeron en la Teoría de Cuerdas Fermiónica. 1.12 El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) El acelerador LHC fue originalmente previsto en la década de 1980 y aprobado por el Consejo del CERN para su construcción a fines de 1994. El acrónimo CERN originalmente representaba, en francés, Conseil European pour la Recherché Nucléaire (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear), que era un consejo provisional para la creación del laboratorio, establecido por 11 gobiernos europeos en 1952. Haciendo realidad este ambicioso plan científico Resultó ser una tarea inmensamente compleja. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un gigantesco instrumento científico, que se extiende a lo largo de la frontera franco-suiza. El LHC tiene un total de 27 kilómetros de largo, y se extiende a 100 m bajo tierra. Consiste principalmente en un anillo de 27 km de imanes superconductores con una serie de estructuras de aceleración para aumentar la energía de las partículas en el camino. Dentro del acelerador, dos rayos de partículas viajan cerca de la velocidad de la luz con energías muy altas antes de chocar entre sí. Las energías aumentan a lo largo de muchas rondas alrededor de la longitud del acelerador, y se aceleran mediante los aceleradores que están hechos de electroimanes superconductores. Los imanes están hechos de bobinas superconductoras sin resistencia o pérdida de energía. Los imanes están ubicados en un medio refrigerante congelado a -27 ° C, una temperatura más fría que el espacio exterior.
Se utilizan miles de imanes de diferentes formas y tamaños para dirigir los haces alrededor del acelerador. Incluyen 392 imanes cuadrupolos de 5-7 metros de largo para enfocar las vigas, y 1232 imanes dipolos de 15 metros de largo para doblar las vigas. Las partículas son tan minúsculas que la tarea de hacerlas chocar es similar a disparar agujas desde dos posiciones separadas por 10 km con tal precisión que se encuentran a medio camino. Hay seis experimentos para analizar la gran cantidad de partículas producidas por la colisión en el acelerador: ALICE, ATLAS, CMS, LHCB, TOTEM y LHCF. El CERN es un acelerador de partículas para estudiar la partícula más pequeña conocida, el componente fundamental de todas las cosas. Actualizará nuestra comprensión, desde la minúscula partícula en lo profundo del átomo hasta la inmensidad del universo. El LHC tiene un acelerador circular de aproximadamente 27 kilómetros, en el que dos haces de partículas subatómicas llamadas 'Hadrón', ya sea protones o iones de plomo (el plomo tiene uno de los más electronegatividades entre todos los elementos) viajarán en direcciones opuestas, ganando energía con cada vuelta. Un equipo de físicos de todo el mundo analizará las partículas creadas en las colisiones y comparará los resultados justo después del Big Bang. Los resultados ayudarán a los físicos a determinar si el modelo estándar puede servir como un medio para comprender la ley fundamental de la naturaleza. La explicación más probable se puede encontrar en el campo de Higgs y el bosón de Higgs, que son cosas sin descubrir que son esenciales para que el modelo estándar funcione. Todo lo que vemos en el universo forma el 4% del universo y la proporción restante forma la materia oscura y la energía oscura. El experimento podría llevar a entender estos dos asuntos desconocidos. El experimento de LHC investigará la diferencia entre materia y antimateria para ayudar a responder la pregunta de por qué la materia aún existe, mientras que la antimateria ha desaparecido (casi no queda nada de antimateria después del Big Bang). Hay muchas preguntas que deben responderse del experimento de LHC, incluyendo: a) En las condiciones tempranas del universo, la temperatura era demasiado alta para que los gluones mantuvieran unidos a los quarks. La ciencia reciente sugiere que durante los primeros microsegundos después del Big Bang, el universo habría comprendido un océano denso muy caliente de quarks y gluones llamado plasma de quarks y gluones. b) Estamos familiarizados con solo tres o cuatro dimensiones en el espacio. ¿Puede el LHC encontrar otras dimensiones como sugiere la teoría de cuerdas? Los físicos esperan que se observen otras dimensiones cuando se liberen energías muy altas en el Hadrón. c) ¿Puede el LHC encontrar las partículas faltantes que se cree que existen pero nunca se han observado, incluido el bosón de Higgs, apodado la "partícula de dios"? Si se observa el bosón de Higgs, entonces podría responder a la pregunta de qué causa la masa. d) ¿Ayudará el LHC a comprender la materia oscura (que parece constituir la mayor parte del universo) y la energía oscura (que parece estar acelerando la expansión del universo)?
Se ha especulado que las explosiones dentro del LHC podrían crear un agujero negro, que los traficantes de la ley han sugerido que se tragaría la tierra. Los científicos de los laboratorios del CERN dicen que el LHC no puede crear agujeros negros, e incluso si pudiera, serían tan microscópicos que se desintegrarían de inmediato. El profesor Stephen Hawking, profesor de matemáticas de la Universidad de Lucians en la Universidad de Cambridge, dijo que el poder del LHC era "débil" en comparación con las colisiones que ocurren en el universo todo el tiempo,
Algunas imágenes del LHC se muestrán en la Figura (1.16)
Figura (1.16): El acelerador LHC