Tabla de contenido1.Objetivos22.Planteamiento del
problema23.Hiptesis24.Marco terico34.1.Partculas
elementales34.1.1.Fermiones34.1.2.Bosones44.2.Fuerzas de la
naturaleza54.2.1.Fuerza fuerte54.2.2.Fuerza
electromagntica54.2.3.Fuerza dbil54.2.4.Fuerza
gravitacional64.3.Cromo-dinmica
cuntica64.3.1.Definicin64.3.2.Conservacin de la carga de
color74.4.Modelo estndar75.Solucin del
problema76.Conclusiones107.Referencias10
1. Objetivos Conocer el modelo estndar de partculas Conocer la
clasificacin de las partculas en el ME Conocer las interacciones de
las partculas en el ME2. Planteamiento del problemaRoberto es un
estudiante de la UNI; l est llevando el curso de fsica moderna. Un
da, durante la clase oye al profesor decir y como ustedes saben los
tomos estn formados por protones, neutrones y electrones - . A esto
Roberto interviene profesor, entonces esas tres partculas
constituyen todo lo que existe? eso no es totalmente cierto, lo
explicar luego Bueno, como deca contina el profesor el ncleo est
formado por protones y neutrones. Roberto an sigue pensando.Los
protones tienen carga +1 y los electrones, -1 agrega el profesor.
Roberto sabe que los protones estn condensados en el ncleo, junto a
los neutrones. Sin embargo, l conoce por el curso de fsica II,
previo a fsica moderna, que las cargas de igual valor se repelen.
Entonces si los protones tienen igual carga deberan salir
despedidos, alejndose unos de otros.Intenta hacer unos clculos para
entender las fuerzas involucradas en el fenmeno:
?
l encontr en Internet que los dimetros de los protones estn en
el orden de los attmetros (). Se da cuenta que elevado al cuadrado,
el denominador tendera a cero, con lo que la fuerza resultara muy
grande, por ser inversamente proporcional. Entonces, cmo es que
existen los tomos? Existe una teora que explique esta fuerza que
mantiene unido al ncleo del tomo?, y si existe, cmo lo explica?3.
Hiptesis Existen partculas ms elementales que los protones,
neutrones y electrones. Existe un modelo que permite describir las
interacciones entre las partculas elementales. Las partculas
elementales son las que constituyen todo lo existente y no los
protones, neutrones y electrones.4. Marco tericoA partir de
aproximadamente 1945 se descubrieron muchas partculas en
experimentos que involucraban colisiones a alta energa. Estas
partculas son bastante inestables y sus vidas media son muy breves.
A la fecha se han catalogado ms de 400 de estas partculas.4.1.
Partculas elementalesPuede decirse que el modelo sencillo del tomo
que consideraba al electrn, protn y neutrn como sus partculas
elementales, tuvo validez en el primer tercio del siglo XX. En el
segundo tercio, la profusin de nuevas partculas que se incorporaban
a las ya conocidas result casi alarmante. El fsico finlands Roos
confeccion el primer catlogo de partculas en 1963 con cerca de
cuarenta identificadas, y en los aos setenta y ochenta se
catalogaron varios cientos de ellas, clasificndolas bajo distintos
criterios. No obstante, los principales responden al tipo de
interaccin que les afecta y al valor de su espn.Segn el modelo
estndar las particulas elementales son las siguientes:
Quarks
Leptones
Bosones
4.1.1. FermionesEs uno de los dos tipos bsicos de partculas que
existen en la naturaleza (el otro tipo son losbosones). Los
fermiones se caracterizan por tenerespnsemi-entero (1/2, 3/2,...).
En elmodelo estndarexisten dos tipos de fermiones fundamentales,
losquarksy losleptones. En elmodelo estndar de fsica de
partculaslos fermiones se consideran los constituyentes bsicos de
la materia, que interactan entre ellos vabosonesdegauge.4.1.1.1.
QuarksEnfsica de partculas, loscuarksoquarks, junto con
losleptones, son los constituyentes fundamentales de lamateria.
Variasespeciesde quarks se combinan de manera especfica para formar
partculas tales comoprotonesyneutrones.Losquarksson las nicas
partculas fundamentales que interactan con las cuatrofuerzas
fundamentales. Son partculas deespn1/2, por lo que sonfermiones.
Forman, junto a los leptones, la materia visible.Hay seis tipos
distintos de quarks que los fsicos de partculas han denominado de
la siguiente manera: up(arriba) down(abajo) charm(encanto)
strange(extrao) top(cima)y bottom(fondo).Fueron nombrados
arbitrariamente basados en la necesidad de nombrarlos de una manera
fcil de recordar y usar, adems de los correspondientesantiquarks.
Las variedades extraa, encanto, fondo y cima son muy inestables y
se desintegraron en una fraccin de segundo despus delBig Bang, pero
los fsicos de partculas pueden recrearlos y estudiarlos. Las
variedades arriba y abajo s se mantienen, y se distinguen entre
otras cosas por su carga elctrica.En la naturaleza no se encuentran
quarks aislados. Estos siempre se encuentran en grupos, llamados
hadrones, de dos o tres quarks, conocidos como mesones y bariones
respectivamente. Esto es una consecuencia directa del confinamiento
del color.4.1.1.2. LeptonesUnleptnes una partcula conespn-1/2 en el
caso de los neutrinos y +/- 1/2 en los dems leptones (un fermin)
que no experimentainteraccin fuerte. Los leptones forman parte de
una familia departculas elementales conocida como la familia de los
fermiones, al igual que losquarks.Un leptn es unferminfundamental
sin cargahadrnicao de color. Existen seis leptones y sus
correspondientes antipartculas: elelectrn, elmuon, eltauy
tresneutrinosasociados a cada uno de ellos.
4.1.2. BosonesEnfsica de partculas, unbosno boso, es uno de los
dos tipos bsicos departculas elementalesde la naturaleza (el otro
tipo son los fermiones). La denominacin bosn fue dada en honor al
fsico indioSatyendra Nath Bose. Se caracterizan por: Tener
unespnentero (0,1,2,...). No cumplen elprincipio de exclusin de
Pauliy siguen laestadstica de Bose-Einstein. Esto hace que
presenten un fenmeno llamadocondensacin de Bose-Einstein(el
desarrollo demseresylseresfue posible puesto que losfotonesde la
luz son bosones). Lafuncin de ondacuntica que describe sistemas de
bosones es simtrica respecto al intercambio de partculas.Por
elteorema espn-estadsticasabemos que la segunda y tercera
caracterstica son consecuencia necesaria de la primera.Algunos
bosones, aunque se comportan como bosones, de hecho estn compuestos
de otras partculas. Por ejemplo, los ncleos de tomos de helio, bajo
ciertas condiciones, se comportan como bosones aun cuando estn
compuestos por cuatro fermiones que, a su vez, no son elementales
cuando son examinados en experimentos de muy alta energa.
4.2. Fuerzas de la naturalezaA lo largo de la historia de la
humanidad, en el campo de la fsica, el hombre ha ido descubriendo
diversas fuerzas que interactan con la materia, unas muy comunes y
enigmticas, y otras algo ms exticas pero ms claras.
4.2.1. Fuerza fuerteActa sobre los componentes de los ncleos
atmicos atrayndolos para que ste no pueda descompensarse por la
intensa fuerza electromagntica de repulsin a la que se ven
sometidos los protones (cargas positivas).Recordar que los protones
se repelen como consecuencia de la fuerza electromagntica. Como
consecuencia de ello, la fuerza con ms intensidad de las 4 es la
nuclear fuerte, siendo su alcance tambin del orden subatmico.4.2.2.
Fuerza electromagnticaProduce atraccin entre partculas, como la
"atraccin gravitatoria", pero tambin repulsin debido a la
existencia de cargas elctricas positivas y negativas.Hasta la 1
mitad del s. XIX se consideraban 2 fuerzas distintas e
independientes: la elctrica y la magntica. Tras los estudios y
trabajos de cientficos como Oersted, Faraday, Maxwell y muchos
otros, se consigui la unificacin.No afecta a todos los cuerpos como
la gravedad, pues los hay con carga neutra.4.2.3. Fuerza dbilActa
en distancias realmente nfimas, las distancias subatmicas.
Descubierta en el s. XX, se diferencia de la gravitatoria y la
electromagntica en que su alcance no es infinito sino muy reducido,
pero comparativamente posee una intensidad muy superior a
ellas.Hace su aparicin en la desintegracin Beta () de algunos
compuestos radioactivos. En las ltimas dcadas del pasado milenio se
demostr, en el marco de la mecnica cuntica, que las fuerzas
electromagnticas y la nuclear dbil son dos manifestaciones de una
sola fuerza: la fuerza electrodbil, con lo que realmente podramos
afirmar que no hay 4 sino de momento 3 fuerzas fundamentales.Para
entender este concepto es preciso recordar que los ncleos atmicos
estn constituidos de protones y neutrones. De paso aadiremos que
los protones y los neutrones estn constituidos por 3 quarks.4.2.4.
Fuerza gravitacionalDescubierta por Isaac Newton en el s. XVII y
conocida por todos como "atraccin gravitatoria" o simplemente
"gravedad".Fue la primera en ser descubierta y sufrimos sus efectos
diariamente: al levantarnos de la cama, al caminar, cuando se nos
caen las cosas de las manos, cuando llueve, Su campo de trabajo es
amplsimo, pues no se salva nada de cuanto existe. Los siguientes
ejemplos estn firmados por esta fuerza: El movimiento de la Luna
alrededor de la Tierra. El movimiento de los planetas alrededor del
Sol. El movimiento del cometa Halley en el sistema solar. El
cinturn de asteroides. Los meteoritos que atrae la Tierra. La
velocidad a la que deben escapar los cohetes y las sondas
espaciales de la Tierra. El equilibrio al que estn sometidos los
satlites de comunicaciones para no caer sobre la Tierra.Todo,
absolutamente todo est afectado por la fuerza de gravedad, incluso
la luz, y esto se pudo mostrar una vez en un eclipse solar donde se
poda observar a dos estrellas que estaban justo detrs del sol pues
la luz se curv por accin de la fuerza de gravedad que ejerca el
sol.Cabe recalcar que todo cuerpo que tiene masa ejerce fuerza
gravitatoria frente a otro cuerpo.
4.3. Cromo-dinmica cuntica4.3.1. DefinicinLa Cromo - dinmica
Cuntica (QCD) es la teora que explica la interaccin fuerte y, ms en
concreto, la interaccin entre los quarks para formar todas las
partculas que interaccionan fuertemente (hadrones), ya sean mesones
donde interaccionan quark y antiquark, qq, o bariones donde
interaccionan tres quarks, qqq.La estructura de esa teora guarda
relacin con la electrodinmica cuntica (QED). Las interacciones
electromagnticas no diferencian partculas que tengan la misma carga
elctrica. As, un electrn es un antiprotn ambos negativos pareceran
ser la misma partcula desde el punto de vista de un fotn, si no
fuese por su diferencia de masa entre ambas partculas.En la colisin
entre protones y antiprotones en aceleradores, varios quarks son
creados y se materializan en la forma de decenas de variedades de
mesones, la mayora piones. As se vuelve imposible aislar quarks o
gluones, pues ellos son confinados en mesones o bariones.4.3.2.
Conservacin de la carga de colorEste principio establece que ante
cualquier cambio de colores dentro de un barin o mesn, la
combinacin resultante siempre debe ser neutra, esto quiere decir
que en un mesn quedar siempre un par quark antiquark, y en un barin
quedar siempre un trio rojo, azul y verde o antirrojo, antiazul y
antiverde.
4.4. Modelo estndar
5. Solucin del problemaComo ya se ha visto, la fuerza que
experimentan los protones y neutrones en el ncleo es del tipo
fuerte. Adems la cromo dinmica cuntica explica que los quarks
poseen un color, y que en combinacin generan un color neutro.As
pues, el modelo estndar establece la estructura de las partculas
atmicas neutrn y protn de la siguiente manera:
Entonces la carga total de los bariones se calcula en la
siguiente tabla:BarinQuarks componentesCarga elctricaCarga
total
Neutrnu+2/30
d-1/3
d-1/3
Protnu+2/3+1
u+2/3
d-1/3
La fuerza fuerte acta entre quarks. Al contrario de las otras
fuerzas esta no disminuye con la distancia, al contrario, aumenta.
Esto es conocido como confinamiento de color. El modelo explica que
es tanta la cantidad de energa que se generan partculas virtuales
(par quark-antiquark) que permiten trasladarla.Ests partculas
residuales trasladan lo que se conoce como fuerza fuerte
residualLos quarks intercambian gluones que mantienen unido al
barin.ududdupn
As hacen que los quarks cambien de color pero manteniendo la
neutralidad en el color del barin:ududdupn
En algn momento el gluon no alcanza al quark y se descompe en un
par quark antiquark ududdupn
ududdupndd
Un quark del par se enlaza para formar el protn de nuevo, y el
antiquark se enlaza con el quark restante (forman un pin neutro), y
se trasladan hacia el neutrn:ududdupndd
ududdupndd
El par quark antiquark se descompone generando un glun, que a su
vez une el quark proveniente del protn. As se reconstituyen los
bariones iniciales, y el intercambio de pares quark antiquark
permite que los bariones permanezcan unidos.ududupnd
ududdupn
6. Conclusiones Los protones, neutrones y electrones no son
partculas elementales. La materia se constituye de quarks y
leptones. Las fuerzas son transmitidas por el intercambio de
partculas de fuerza (bosones) La fuerza fuerte residual
(intercambio de piones) es la causante de la unin de neutrones y
protones en el ncleo atmico.
7. Referencias Raymond A. Serway et al. FISICA MODERNA Quark -
http://es.wikipedia.org/wiki/Quark Lepton -
http://es.wikipedia.org/wiki/Lept%C3%B3n Bosn -
http://es.wikipedia.org/wiki/Bos%C3%B3n Interaccin nuclear fuerte -
http://es.wikipedia.org/wiki/Interacci%C3%B3n_nuclear_fuerte