Los antiguos creían que estábamos formados por cuatro "elementos": agua, tierra, fuego y aire; que ahora sabemos que no son elementos. Actualmente, existen unos 118 elementos. Todos los elementos están formados por átomos, que antes se creían indivisibles. A principios del siglo XX, tras los descubrimientos de J.J. Thompson y Rutherford, se supo que los átomos estaban constituidos por núcleos (compuestos de protones y neutrones) en el centro y electrones orbitando a su alrededor. En la década de 1970, se supo que los protones y neutrones tampoco eran fundamentales, sino que estaban formados por "quarks arriba" y "quarks abajo", lo que convertía a los electrones, los "quarks arriba" y los "quarks abajo" en los tres constituyentes más fundamentales de todo en el universo . Con los revolucionarios avances en física cuántica, aprendimos que las partículas son en realidad derivados, paquetes o conjuntos de energía en los campos, lo que implica que las partículas no son fundamentales. Lo fundamental es el campo que las sustenta. Ahora podemos afirmar que los campos cuánticos son los componentes fundamentales de todo en el universo (incluidos sistemas biológicos avanzados como nosotros). Todos estamos formados por campos cuánticos. Las propiedades de las partículas, como la carga eléctrica y la masa, describen cómo sus campos interactúan con otros campos. Por ejemplo, la propiedad que denominamos carga eléctrica de un electrón describe cómo el campo del electrón interactúa con el campo electromagnético. Y la propiedad de su masa describe cómo interactúa con el campo de Higgs.
Desde la antigüedad, la humanidad se ha preguntado: ¿De qué estamos hechos? ¿De qué está hecho el universo ? ¿Cuáles son los componentes fundamentales de la naturaleza? ¿Y cuáles son las leyes básicas que rigen todo en el universo ? El modelo estándar de la ciencia es la teoría que responde a estas preguntas. Se considera la teoría científica más exitosa jamás desarrollada en los últimos siglos, una única teoría que explica la mayoría de los fenómenos del universo.
Desde tiempos remotos se supo que estamos compuestos de elementos. Cada elemento, a su vez, está formado por átomos. Inicialmente, se creía que los átomos eran indivisibles. Sin embargo, en 1897, J.J. Thompson descubrió los electrones mediante una descarga eléctrica a través de un tubo de rayos catódicos. Poco después, en 1908, su sucesor, Rutherford, demostró con su famoso experimento de la lámina de oro que un átomo tiene un pequeño núcleo con carga positiva en el centro, alrededor del cual orbitan electrones con carga negativa . Posteriormente, se descubrió que los núcleos están formados por protones y neutrones.
En la década de 1970, se descubrió que los neutrones y los protones no son indivisibles y, por lo tanto, no fundamentales, sino que cada protón y neutrón está compuesto por tres partículas más pequeñas llamadas quarks, que son de dos tipos: "quarks arriba" y "quarks abajo" ("quark arriba" y "quark abajo" son simplemente quarks diferentes. Los términos "arriba" y "abajo" no implican ninguna relación con la dirección o el tiempo). Los protones están compuestos por dos "quarks arriba" y un "quark abajo", mientras que un neutrón está compuesto por dos "quarks abajo" y un "quark arriba". Así, los electrones, los "quarks arriba" y los "quarks abajo" son las tres partículas más fundamentales que constituyen los bloques de construcción de todo en el universo . Sin embargo, con los avances científicos, esta comprensión también ha cambiado. Se ha descubierto que los campos son fundamentales y no las partículas.
Las partículas no son fundamentales. Lo fundamental es el campo que las sustenta. Todos estamos formados por campos cuánticos.
Según la comprensión actual de la ciencia, todo en el universo está compuesto de entidades abstractas invisibles llamadas "campos", que representan los componentes fundamentales de la naturaleza. Un campo es algo que se extiende por todo el universo y adquiere un valor particular en cada punto del espacio, el cual puede variar con el tiempo. Es como ondas de fluido que se propagan por el universo ; por ejemplo, los campos magnéticos y eléctricos se extienden por todo el universo . Si bien no podemos ver los campos eléctricos o magnéticos, son reales y físicos, como lo demuestra la fuerza que sentimos cuando acercamos dos imanes. Según la mecánica cuántica, se cree que los campos son continuos, a diferencia de la energía, que siempre se presenta en bloques discretos.
La teoría cuántica de campos consiste en combinar la mecánica cuántica con los campos. Según esta teoría, el fluido de electrones (es decir, las ondas de este fluido) se agrupan en pequeños paquetes de energía. Estos paquetes de energía son lo que llamamos electrones. Por lo tanto, los electrones no son fundamentales; son ondas del mismo campo subyacente. De manera similar, las ondas de los dos campos de quarks dan lugar a los quarks "up" y "down". Lo mismo ocurre con todas las demás partículas del universo . Los campos son la base de todo. Lo que consideramos partículas son, en realidad, ondas de los campos agrupadas en pequeños paquetes de energía. Los bloques de construcción fundamentales de nuestro universo son estas sustancias fluidas que llamamos campos. Las partículas son simplemente derivados de estos campos. En el vacío absoluto, cuando se eliminan por completo las partículas, los campos siguen existiendo.
Los tres campos cuánticos más básicos de la naturaleza son el electrón, el quark arriba y el quark abajo. Existe un cuarto campo llamado neutrino; sin embargo, estos no nos constituyen, pero desempeñan un papel importante en otras partes del universo . Los neutrinos están por todas partes y fluyen a través de todo sin interactuar.
Campos de materia : Los cuatro campos cuánticos básicos y sus partículas asociadas (a saber, “electrón”, “quark arriba”, “quark abajo” y “neutrino”) forman la base del universo . Por razones desconocidas, estas cuatro partículas fundamentales se reproducen dos veces. Los electrones reproducen “muones” y “tau” (que son 200 y 3000 veces más pesados que los electrones, respectivamente); los quarks arriba dan lugar a “quark extraño” y “quark fondo”; los quarks abajo dan lugar a “quark encanto” y “quark cima”; mientras que los neutrinos dan lugar a “neutrino muónico” y “neutrino tau”.
Así pues, existen 12 campos que dan origen a partículas, a los que llamamos campos de materia.
A continuación se muestra la lista de 12 campos de materia que componen 12 partículas en el universo.
Campos de fuerza : Los 12 campos de materia interactúan entre sí mediante cuatro fuerzas diferentes: gravedad , electromagnetismo , fuerzas nucleares fuertes (que operan solo a pequeña escala del núcleo y mantienen unidos a los quarks dentro de los protones y neutrones) y fuerzas nucleares débiles (que operan solo a pequeña escala del núcleo, responsables de la desintegración radiactiva e inician la fusión nuclear). Cada una de estas fuerzas está asociada a un campo: la fuerza electromagnética está asociada al campo de gluones , los campos asociados a las fuerzas nucleares fuertes y débiles son el campo de bosones W y Z , y el campo asociado a la gravedad es el espacio-tiempo mismo.
A continuación se muestra la lista de cuatro campos de fuerza asociados con cuatro fuerzas.
| fuerza electromagnetica | campo de gluones |
| Fuerzas nucleares fuertes y débiles | campo bosón w & z |
| gravedad | tiempo espacial |
El universo está repleto de estos 16 campos (12 campos de materia más 4 campos asociados a cuatro fuerzas). Estos campos interactúan armoniosamente entre sí. Por ejemplo, cuando el campo electrónico (uno de los campos de materia) comienza a oscilar (debido a la presencia de un electrón), desencadena la interacción con otro campo, como el electromagnético, que a su vez también oscila y se ondula. Se emite luz, la cual también oscila ligeramente. En algún momento, esta luz comienza a interactuar con el campo de quarks, que también oscila y se ondula. El resultado final es la armoniosa interacción entre todos estos campos, que se entrelazan entre sí.
campo de higgs
En la década de 1960, Peter Higgs predijo otro campo. Para la década de 1970, este se había convertido en parte integral de nuestra comprensión del universo . Sin embargo, no existía evidencia experimental (es decir, si provocáramos una onda en el campo de Higgs, deberíamos observar una partícula asociada) hasta 2012, cuando investigadores del CERN en el LHC informaron de su descubrimiento. La partícula se comportó exactamente como predecía el modelo. La partícula de Higgs tiene una vida muy corta, de aproximadamente 10⁻²² segundos.
Este fue el último componente básico del universo . Este descubrimiento fue importante porque este campo es responsable de lo que llamamos masa en el universo.
Las propiedades de las partículas (como la carga eléctrica y la masa) son afirmaciones sobre cómo interactúan sus campos con otros campos.
La interacción de los campos presentes en el universo da origen a propiedades como la masa, la carga, etc., de las diferentes partículas que experimentamos. Por ejemplo, la propiedad que llamamos carga eléctrica de un electrón describe cómo interactúa su campo con el campo electromagnético. De manera similar, su masa describe cómo interactúa con el campo de Higgs.
Comprender el campo de Higgs era fundamental para entender el significado de la masa en el universo . El descubrimiento del campo de Higgs también confirmó el Modelo Estándar, vigente desde la década de 1970.
Los campos cuánticos y la física de partículas son campos de estudio dinámicos. Desde el descubrimiento del campo de Higgs, se han producido varios desarrollos relacionados con el modelo estándar. La búsqueda de respuestas a las limitaciones del modelo estándar continúa.
Modelo estándar de partículas elementales: los 12 fermiones fundamentales y los 5 bosones fundamentales.
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Fuentes:
La Royal Institution, 2017. Campos cuánticos: Los verdaderos componentes básicos del universo – con David Tong. Disponible en línea en https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg
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PARTÍCULAS FUNDAMENTALES – Una mirada rápida
| Las partículas fundamentales se clasifican en fermiones y bosones según el espín. |
| [A]. FERMIONES |
| Los fermiones tienen espín en valores enteros de mitad impar (½, 3/2, 5/2, ….). Estos son partículas de materia que comprende todos los quarks y leptones. – seguir las estadísticas de Fermi-Dirac, – tienen un giro de medio entero impar – Obedecen el principio de exclusión de Pauli, es decir, dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo estado cuántico ni la misma posición en el espacio con el mismo número cuántico. No pueden girar en la misma dirección, pero sí en direcciones opuestas. – Los fermiones incluyen todos los quarks y leptones, y todas las partículas compuestas formadas por un número impar de éstos. – Quarks = seis quarks (up, down, strange, charm, bottom y top). – Se combinan para formar hadrones como protones y neutrones. – No se puede observar fuera de los hadrones. – Leptones = electrones + muones + tau + neutrino + neutrino muón + neutrino tau. – ‘Electrones’, ‘quarks up’ y ‘quarks down’, los tres componentes más fundamentales de todo lo que existe en el universo. – Los protones y neutrones no son fundamentales, sino que están formados por 'quarks up' y 'quarks down', por lo tanto son partículas compuestasLos protones y los neutrones están compuestos por tres quarks: un protón consta de dos quarks "arriba" y uno "abajo", mientras que un neutrón contiene dos "abajo" y uno "arriba". "Arriba" y "abajo" son dos "sabores" o variedades de quarks. – Bariones Son fermiones compuestos de tres quarks, por ejemplo, los protones y los neutrones son bariones. – Hadrones están compuestos únicamente de quarks, por ejemplo, bariones (formado por dos o más quarks) y mesones (compuesto de un quark y un antiquark). |
| [B]. BOSONES |
| Los bosones tienen espín en valores enteros (0, 1, 2, 3, ….) – Los bosones siguen la estadística de Bose-Einstein; tienen espín entero. – nombrado en honor a Satyendra Nath Bose (1894-1974), quien, junto con Einstein, desarrolló las ideas principales detrás de la termodinámica estadística de un gas de bosones. – no obedecen al principio de exclusión de Pauli, es decir, dos bosones idénticos pueden ocupar el mismo estado cuántico o la misma posición en el espacio con el mismo número cuántico. Ambos pueden girar en la misma dirección, – Los bosones elementales son el fotón, el gluón, el bosón Z, el bosón W y el bosón de Higgs. El bosón de Higgs tiene espín = 0, mientras que los bosones de calibración (es decir, el fotón, el gluón, el bosón Z y el bosón W) tienen espín = 1. |
| [C]. PARTÍCULAS COMPUESTAS |
| Las partículas compuestas pueden ser bosones o fermiones dependiendo de sus constituyentes. – Todas las partículas compuestas formadas por un número par de fermiones son bosones (porque los bosones tienen espín entero y los fermiones tienen espín medio entero impar). – Todos los mesones son bosones (porque todos mesones están hechos de un número igual de quarks y antiquarks). – Los núcleos estables con números de masa pares son bosones, por ejemplo, deuterio, helio-4, carbono -12, etc. – Los bosones compuestos tampoco obedecen al principio de exclusión de Pauli. – Varios bosones en el mismo estado cuántico se fusionan para formar “Condensado de Bose-Einstein (BEC).” |
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