Muones, neutrinos, los socios supersimétricas, el famoso bosón de Higgs - con tantas partículas subatómicas diferentes volando, no es de extrañar la física teórica puede ser tan confuso. Es por eso que hemos hecho esta guía (razonablemente) simple de todas las partículas elementales diferentes.
Esto es, como se puede imaginar, un tema bastante grande, así que lo estamos dividiendo en (al menos) dos puestos. Hoy vamos a tratar sólo de las partículas que los físicos son ciertos (o, al menos, una certeza razonable) existen, y mañana vamos a entrar en el mundo aún más extraño de las partículas que se ha considerado, pero puede o no realmente existe. También he hecho una hoja de trucos útil lista de todas las partículas elementales y sus estadísticas vitales, que puedes encontrar aquí. Pero para entender lo que todo eso significa, realmente quieres seguir leyendo.
Conceptos básicos: tiempo para recordar su escuela de clase media Física
Parte de lo que hace que esta tarea difícil es que hay tantas maneras diferentes de organizar las partículas subatómicas, en función de la propiedad que usted está interesado pulg Así que vamos a volver a la física de la escuela media y comenzar con las tres partículas subatómicas la mayoría de la gente ha oído de: electrones, protones y neutrones, los tres componentes de cualquier átomo. Eso significa que esos tres son los bloques básicos de construcción de casi toda la materia - por lo menos, la materia de la variedad no oscuro.
La Guía de Campo Ultimate a las partículas subatómicas
La física ha sido la búsqueda de la menor forma posible de la materia desde la época de los antiguos griegos - ". Indivisibles", la palabra "átomo" tiene su origen en la palabra griega para Por supuesto, la labor de los físicos a principios del siglo XX como JJ Thomson y Ernest Rutherford demostró que el átomo era divisible en realidad, pero no fue hasta finales de 1960 los científicos descubrieron que los protones y los neutrones se fueron partículas compuestas, el resultado de la combinación de partículas aún más pequeñas conocidas como quarks.
Esto nos lleva a una de las divisiones más básicas de las partículas subatómicas: son partículas elementales, como los electrones y los quarks, partículas y compuestos, como los protones y los neutrones. Las partículas elementales no tienen infraestructura y no elementos constitutivos más pequeños ... al menos, ninguno que los físicos teóricos en la actualidad puede estar de acuerdo. (Aquí es donde la teoría de cuerdas entra en escena, pero como yo soy más que escribir un mensaje y no un libro entero, te lo dejamos a un lado por ahora.)
Ahora, una de las propiedades más básicas de los electrones, protones y neutrones es a su cargo. Los electrones son negativos, los protones son positivos, y los neutrones son, como era de esperar, neutral. Es la fuerza de atracción electromagnética entre los protones y los electrones que mantiene unidos a los átomos, y de las distintas tasas de varios iones que hace que los átomos que se combinan en moléculas. Pero vamos a mantener este subatómicas.
Quarks de todos los sabores
Lo que hay que tener en cuenta es que todas las partículas deben tener una carga electromagnética de -1, 0 o 1 - las cargas de los electrones, neutrones y protones, respectivamente. (En realidad, ciertas partículas pueden tener un cargo de 2 ó -2, pero el poco que realmente crucial es que todos los cargos deben ser enteros, y -1, 0 y 1 son, con mucho, el más común.) De todos modos, eso es todo bastante simple , ¿no? Bien, porque estoy a punto de contradicción que por completo. Este será un tema recurrente.
Como he dicho, los protones y los neutrones están formados por diferentes combinaciones de quarks. Los quarks son uno de los tres grandes grupos de partículas elementales conocidas. Hay seis tipos o sabores de quarks, la mitad de los cuales son los quarks up-tipo con carga positiva y la otra mitad son los quarks abajo-tipo con carga negativa. Aquí está la lista de los sabores y sus cargos: arriba, encanto, y los quarks arriba son 2 / 3, mientras que abajo, extraño, y los quarks abajo son -1 / 3.
Me imagino que has visto la contrad la existencia de un bosón gravitón llevar a que la fuerza entre las partículas. (Cubrimos el bosón de Higgs con cierta profundidad en un post anterior.) Y ahora para un resumen rápido Pues bien, creo que tenemos todas las partículas elementales
La Guía de Campo Ultimate a las partículas subatómicas
Los electrones, neutrinos y leptones Otros
Los electrones son los miembros más conocidos de otro grupo importante de las partículas elementales, los leptones. Al igual que los quarks, hay seis sabores de leptones. Estos sabores se pueden dividir en tres generaciones, con cada generación sucesiva mucho más masiva que la anterior. Lo mismo puede decirse de los quarks - quarks arriba y abajo son los más ligeros, a continuación, encanto y extraño, entonces superior e inferior. Sólo el más ligero de los leptones y los quarks se mantienen estables, razón por la cual los quarks arriba y abajo de forma protones y neutrones, y es por eso que los electrones se encuentran en los átomos y no de sus contrapartes más pesadas.
¿Cuáles son los seis sabores de leptones? Usted ya sabe que el electrón, y usted probablemente ha oído hablar de los otros miembros de su generación, el neutrino. El neutrino - o, más exactamente, el electrón neutrino - es una partícula sin masa casi propuesto por Wolfgang Pauli en 1930 para dar cuenta de la ligera pérdida de la energía total y el impulso en un proceso conocido como desintegración beta, en el cual un neutrón decae en un electrón , un protón, y un neutrino. (Técnicamente hablando, en realidad es un antineutrino electrónico que se emite, pero vamos a mantener esta sencilla manera posible.)
El electrón y el neutrino del electrón son la primera generación de leptones, y los otros cuatro leptones son los muones, neutrinos muón, tau y el neutrino tau. El electrón, muón, tau y todos tienen la carga de -1, mientras que los tres neutrinos tienen una carga neutra. Así que eso los quarks y los leptones, que en conjunto forman un grupo conocido como los fermiones. Exactamente lo que hace un fermión un fermión es un poco complicado, pero basta con decir que los fermiones son todas las partículas que tienen que ver con la materia. ¿Qué pasa con el último grupo de las partículas elementales, los que no se ocupan de la materia?
La creación de la Fuerza: los bosones
Estos son los bosones, y se ocupan de las fuerzas fundamentales del universo. Ya hemos mencionado un par de ellos - no la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil, que es principalmente responsable del proceso de desintegración beta que estábamos discutiendo.
(Debo aclarar aquí que hay dos tipos de bosones -. Bosones que son las partículas elementales y los que son partículas compuestas Los bosones de primaria son más importantes para los fines de esta discusión, y voy a utilizar el término "bosón", como una forma rápida para sólo los bosones elementales. El acto bosones compuestos en formas más complicadas, pero no tiene que preocuparse acerca de eso aquí.)
Todas estas fuerzas crean campos que las partículas pasan a través de la materia, y los bosones son responsables de llevar estas fuerzas fundamentales entre las partículas de materia. Sin los bosones de actuar como mediadores, las otras partículas no serían capaces de experimentar los efectos de las distintas fuerzas, lo que significaría que no podría combinar quarks en protones y neutrones, sin la fuerza fuerte, y ninguno de estos podría combinar con los electrones para que los átomos, sin la fuerza electromagnética.
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Hay cuatro bosones conocidos elemental: fotones, que median la fuerza electromagnética, los gluones, acuerdo que con la fuerza nuclear fuerte, y los bosones W y Z, que son responsables de la fuerza débil. Todos ellos tienen carga neutra, con excepción de los bosones W, que tienen carga -1. Tanto los gluones y los fotones tienen masa cero, lo que significa, de acuerdo a la relatividad general, los dos deberán viajar a la velocidad de la luz. Eso parece un poco obvio, creo que, teniendo en cuenta los fotones son las partículas de luz.
Hay un par de bosones otros muchos físicos creen que existen, pero hasta ahora han eludido su detección: el famoso bosón de Higgs, que en teoría le da todas las partículas de su masa, y el gravitón, que sea un mediador de la gravedad. El Modelo Estándar de la física sólo requiere que el bosón de Higgs, que la gravedad no se considera una fuerza fundamental en ese modelo. Sin embargo, otras teorías de la física de partículas es argumentar la gravedad cuántica, la cual requiere la existencia de un bosón gravitón llevar a que la fuerza entre las partículas. (Cubrimos el bosón de Higgs con cierta profundidad en un post anterior.)
Y ahora para un resumen rápido
Pues bien, creo que tenemos todas las partículas elementales conocidas resuelto. Vamos a ver la tabla (no dude en hacer clic en él para ver de cerca):
Los tres valores representados en la casilla de cada partícula son, de arriba a abajo, con su masa en electrón-voltios, su carga, y su giro. ¿Qué giro? Vamos a llegar a ese futuro, pero basta con decir ... es complicado. De todos modos, vamos a echar un vistazo a cómo los quarks, leptones y bosones se unen para formar la materia y las fuerzas que experimentamos a diario (de nuevo, puede hacer clic para ver mejor):
Dar la vuelta al guión: antipartículas
Hemos llegado casi al final de de las partículas conocidas, pero hay otros dos grupos que necesitamos para hacer frente a: mesones y antipartículas. Los mesones son el otro tipo de hadrones, que cuentan con sólo dos quarks en vez de los tres visto en bariones como los protones y los neutrones. Ahora, si usted echa un vistazo a los cargos de quarks, se dará cuenta de todos los quarks up-tipo tienen +2 / 3 de carga, y todos los quarks abajo-tipo tienen -1 / 3 de carga. Eso significa que no hay manera de combinar sólo dos quarks para obtener un material compuesto de partículas con una carga entero.
La salida de este lío es que no es en realidad dos quarks que se combinan para formar un mesón - es un quark y un antiquark. Antiquarks son un grupo de antipartícula, junto con el antileptones y antibosons, y todas estas antipartículas tienen carga opuesta de su homólogo de partículas. Por ejemplo, uno de los mesones más común, el pión, está hecho de un quark y un antiquark abajo, lo que le da una carga positiva (2.3 + 1.3 = 1).
Aparte de eso cobro revertido, antipartículas son casi idénticos a sus homólogos de las partículas. Digo "casi" porque todavía hay una serie de características invertido unos cuantos. Estas propiedades son más sutiles en el número bariónico, el número de leptones, y el color.
Los primeros dos propiedades son bastante fácil de calcular restando el número de antiquarks del número de quarks y el número de antileptones del número de leptones, pero ¿qué pasa con el color? Básicamente, el color es el equivalente a la fuerza fuerte de la carga electromagnética, y es conocido como el color, ya que tiene tres aspectos básicos (en comparación con los dos aspectos de la carga - positivos y negativos), que han sido llamados "azules", "rojo", y "verde" después de los colores primarios.
Pero además de estas características más sutiles y la carga, antipartículas realmente son prácticamente indistinguibles de las partículas. Ellos tienen la misma masa, el mismo giro, la vida misma ... de hecho, una Tierra antimateria toda teoría, podría existir, y sería exactamente igual que nuestra Tierra, excepto todos los cargos que dar la vuelta (y algunas otras cosas de menor importancia , pero la carga sería la única diferencia es evidente). Por supuesto, no es una Tierra de antimateria, ya que, por razones que sólo estamos empezando a comprender, a dominar la materia antimateria en los primeros momentos del universo, por lo que cualquier antimateria que ahora viene a la existencia es rápidamente aniquilado cuando se ejecuta en su materia de contrapartida.
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Aquí está la parte difícil (bueno, la parte aún más difícil, en todo caso). Antiquarks no sólo son antipartículas - son antipartículas elementales, y lo mismo pasa con otras antipartículas como el antineutrino o el antielectrón, que es mejor conocido como el positrón. Pero también hay antipartículas compuestos, como el antiprotón y antineutrón, y la relación entre las antipartículas elementales y compuestos no siempre es sencillo.
Para ver lo que quiero decir, vamos a echar otro vistazo a los piones. Es un mesón, que significa que es una partícula compuesta. Pero es un hecho de un quark y un antiquark, es decir, la partícula es a partes iguales antipartícula elemental y primaria. Y eso es sólo un tipo de pión - antipion la carga negativa se hace de un quark abajo y un antiquark arriba (-1 / 3 - 2 / 3 -1 =). Una vez más, una partícula elemental y una antipartícula elemental, pero esta vez el resultado es una antipartícula compuesto.
Esto también explica cómo algo así como un antineutrón puede existir. He dicho antipartículas tienen carga opuesta de sus homólogos de las partículas, pero neutrón no tiene carga. Entonces, ¿cuál es la diferencia entre un neutrón y un antineutrón? Es todo que ver con las partes elementales. Como dije antes, un neutrón tiene un quark up y dos quarks abajo (2 / 3 - 1 / 3 - 1 / 3 = 0), pero un antineutrón tiene un antiquark arriba y dos abajo antiquarks (-2 / 3 + 1 / 3 + 1 / 3 = 0). A pesar de la carga neta es la misma, los componentes se invierten, y es por eso que los neutrones y antineutrones pueden aniquilarse uno al otro tan bien como los electrones y los positrones o protones y antiprotones puede cuando la materia y la antimateria se encuentran.
Pero esto sólo explica la existencia de compuestos anti-partículas neutras - lo que las partículas elementales neutral, como el neutrino? Ya hemos mencionado el antineutrino, por lo que debe haber algo que lo distingue de los neutrinos. Bueno, la respuesta corta es que ... no lo hace, al menos no como lo que los físicos pueden contar. El antineutrino y un neutrino son aparentemente idénticos, lo que significa que pueden ser partículas de Majorana, es decir, cualquier partícula que es su propia antipartícula.
Todos los bosones de carga neutra son definitivamente las partículas de Majorana, pero los neutrinos serían los fermiones sólo para ganar ese título. Sin embargo, el consenso actual es que, aunque no es imposible, probablemente, los neutrinos no son partículas de Majorana, en parte debido a las propiedades cuánticas que mencioné anteriormente. Parece como si el número de leptones de neutrinos y antineutrinos son diferentes: una para los neutrinos y antineutrinos -1.
También hay compuestos de partículas de Majorana, como el tercer tipo de pión, que se hace de un quark y antiquark quarks o hacia abajo y un antiquark. Desde este mesón en particular es la combinación de una partícula con su propia antipartícula, no es exactamente sorprendente que es su propia antipartícula.
El fin de lo que sabemos
Y que casi lo hace para todas las partículas y antipartículas que conocemos. Como dije al principio, he hecho una hoja de trucos para todas las partículas elementales conocidas - no dude en consultarlo cada vez que se mezcla su muones y su gluones. Por desgracia, hay diferentes combinaciones demasiado muchos de partículas compuestas de hacer una hoja de trucos para ellos, pero sí incluye a los dos hadrones más importantes de las partículas elementales hoja de trucos.
Además, si algo de esto sigue siendo confusa - lo cual es perfectamente comprensible - no dude en dejar preguntas en los comentarios o enviarlas por correo electrónico a mí en [email protected]. Si hay suficientes preguntas que lo justifiquen, voy a hacer un post de la próxima semana el sentido de hacer todo lo que hemos debatido esta semana.
Pero basta de limpieza. Adelante y hacia arriba al tema de mañana - las partículas por descubrir! Te advierto ahora, las cosas van a ser raro ...
Muchísimas gracias a nuestro físico residente, el Dr. Dave Goldberg, para aclarar algunos puntos técnicos pocos, se puede leer más de sus cosas en la Guía del Usuario del Universo y en su "Pregunte a un físico" serie aquí en io9.
BUENO ESO ES TODO COMENTEN¡¡