El documento proporciona una introducción a la física de partículas y la Teoría Estándar. Explica que la materia está compuesta de partículas fundamentales como quarks y leptones, y que estas interactúan a través de cuatro fuerzas fundamentales mediadas por bosones. La Teoría Estándar describe cómo estas partículas y tres de las fuerzas están relacionadas matemáticamente.

1. Taller: Introducción a Física
de Partículas y a la Teoría Estándar

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¿CÓMO ABORDAR ESTE TALLER?

3. En la física de partículas, se considera que la materia es el
conjunto de todas las partículas existentes y que la
antimateria es una forma de materia menos frecuente que
está formada por antipartículas.
¿Cómo surge el estudio de la antimateria? Paul Dirac, en
1928 planteó una ecuación que podría describir el
comportamiento de un electrón moviéndose a muy altas
velocidades. Esta ecuación (por la que ganó el Premio
Nobel en 1933 junto a Erwin Schrödinger) presentaba dos
soluciones posibles, una para un electrón con energía
positiva y otra para un electrón con energía negativa.
Pensar en energías negativas era incompatible con la física
clásica.
Con estos resultados, Dirac planteó que existirían electrón y
positrón, partículas idénticas pero con diferente carga. Así
para cada partícula debería existir su correspondiente
antipartícula.
MATERIA Y ANTIMATERIA
En 1932, Carl Anderson,
halló rastros de "algo con
carga positiva, y la misma
masa que el electrón".
Había detectado a los
antielectrones, a los que
nombró positrones.
Paul Dirac

4. Una antipartícula está relacionada con su correspondiente partícula por
lo que se conoce como “conjugación de carga”, esto incluye no solo la
carga eléctrica sino todos las propiedades cuánticas, sin afectar masa,
energía, momento y spin.
Por ejemplo ¡el positrón es idéntico al electrón pero con carga positiva!
Si una partícula entra en contacto con su antipartícula se da una
aniquilación mutua. Esto no significa su destrucción, sino una
transformación que da lugar a la formación de otras partículas de materia
o de intercambio.
Se suele utilizar una barra horizontal sobre el símbolo que caracteriza a la antipartícula para
diferenciarla de las partículas.
MATERIA Y ANTIMATERIA

5. Masa, spin, carga, color….
Son propiedades de las partículas cuánticas que
iremos comprendiendo a medida que avancemos en
los temas
Haremos ahora un breve comentario sobre ellas para poder empezar
a construir un vocabulario compartido adecuado para avanzar. No se
preocupen si los conceptos no quedan claros en este momento, se
irán comprendiendo a medida que transitemos el Bloque 1.
ALGUNAS PROPIEDADES CUÁNTICAS

6. PROPIEDADES CUÁNTICAS: masa
Cuando se trata de partículas cuánticas se suele expresar la masa de éstas
en unidades de electronvoltios.
Si bien no analizaremos en este curso Teoría de la Relatividad, es en el marco
de esta teoría que se plantea la relación E = m·c² (equivalencia
masa-energía). Esto da lugar a una unidad de masa correspondiente al eV
(despejando m de la ecuación) que se denomina eV/c².
El electronvoltio (eV) es una unidad de energía que representa la variación de energía cinética que
experimenta un electrón al moverse desde un punto de potencial Va hasta un punto de potencial Vb
cuando la diferencia de potencial del campo eléctrico es de 1 voltio. Equivale a 1,602176565 × 10-19
J.
Por ejemplo, la unidad de masa atómica unificada (u), 1 gramo / número de
Avogadro, es aproximadamente la masa de un átomo de hidrógeno, que es
principalmente la masa del protón. 1 u = 931.4941 MeV/c2

7. PROPIEDADES CUÁNTICAS: spin
El spin o momento angular intrínseco es
una propiedad cuántica que presentan
las partículas elementales, las
compuestas y los núcleos.
La existencia de esta propiedad se infiere a
partir de cómo responden las partículas
cuánticas a determinadas condiciones
experimentales (tales como el experimento de
Stern–Gerlach) en el que si estas partículas
son sometidas a un campo magnético tienen
una desviación dicotómica y no continua,
como resultaría para una partícula clásica.
No hay una representación cotidiana para dar
cuenta del spin.
Imagen representativa del
experimento Stern-Gerlach.
Adaptada de Wikipedia
¡Muchos de los conceptos aquí
mencionados (partícula cuántica o
clásica por ejemplo) se aclaran con el
correr de esta clase y las siguientes!

8. PROPIEDADES CUÁNTICAS: carga de color, carga eléctrica
Cuando hablamos de carga de color o de carga
eléctrica, se hace referencia a una propiedad
relacionada con el modo en que algunas partículas
interaccionan.
La carga de color no tiene que ver nada con los
colores visibles usuales, sino que simplemente son
una forma de llamar y diferenciar los diferentes tipos
de una magnitud física asociada a los quarks.

9. ¿Qué entienden por partículas fundamentales?
¿Qué pueden decir acerca de cómo está constituido
un átomo? ¿Cuáles son las partículas fundamentales
que conforman un átomo y cómo interactúan entre sí?
Para discutir en grupo…

10. Teoría Estándar

11. Cada cosa en el universo estaría compuesta por unos pocos ladrillos básicos
denominados partículas fundamentales.
Estas partículas estarían gobernadas por cuatro fuerzas fundamentales.
La llamada Teoría Estándar desarrollada en la década del ´70, describe
cómo estas partículas y tres de estas fuerzas están relacionadas entre sí.
... el Modelo Estándar es, en la historia, la más sofisticada teoría
matemática sobre la naturaleza. A pesar de la palabra “modelo” en su
nombre, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica
las partículas básicas y especifica cómo interactúan. Todo lo que
pasa en nuestro mundo (excepto los efectos de la gravedad) es
resultado de las partículas del Modelo Estándar interactuando de
acuerdo con sus reglas y ecuaciones (p.58).
Gordon Kane (2003)
TEORÍA ESTÁNDAR

12. Hay dos grandes grupos de partículas que principalmente difieren en su spin
(o momento angular intrínseco) y por lo tanto en su comportamiento:
fermiones y bosones
Los fermiones se distinguen de los bosones por tener spin semientero y se
comportan según el principio de exclusión de Pauli (no pueden existir dos
fermiones con idéntico estado cuántico de energía). Se clasifican en
fermiones fundamentales y compuestos.
Los bosones tienen spin entero y no siguen el principio de exclusión de
Pauli. También se clasifican en bosones fundamentales y compuestos.
Según su spin cambia la naturaleza de la distribución de energía en una colección de las
partículas. Las partículas de spin entero obedecen la estadísticas de Bose-Einstein (de allí su
nombre de bosones), mientras que las de espín semi-entero se comportan de acuerdo con las
estadísticas de Fermi-Dirac (de allí su nombre de fermiones). No entraremos en detalle sobre cada
una de estos comportamientos estadísticos.
FERMIONES Y BOSONES

13. Hay dos tipos de partículas
elementales de materia: quarks y
leptones.
Cada grupo consiste en seis
partículas, relacionadas en pares.
A su vez, se subdividen en
generaciones.
PARTÍCULAS FUNDAMENTALES DE MATERIA
Fermiones fundamentales

14. Los seis quarks son llamados: “up” y
“down”, “charm” y “strange”, “top” y
“bottom (o beauty)”.
QUARKS
FERMIONES FUNDAMENTALES

15. Los quarks son fermiones y como tales
están sujetos al principio de exclusión
de Pauli. Parecería que con ello se
prohíbe que dos o tres quarks con el
mismo sabor y el mismo componente
de spín formen una partícula
compuesta. Para evitar tal dificultad, se
postula que cada quark se presenta en
tres variedades, llamadas colores. Los
nombres frecuentes son rojo, verde y
azul. El principio de exclusión se aplica
por separado a cada color.
Por supuesto “color es una propiedad de
los quarks que no tiene relación con la
idea tradicional de color
FERMIONES FUNDAMENTALES

16. Los quarks se clasifican según su “color”
y se combinan para dar objetos “sin color”
Cada uno de los seis "sabores" de
quarks, puede tener tres "colores"
diferentes (rojo, verde o azul).
Las fuerzas de unión de los quarks son
atractivas sólo en combinaciones
"incoloras" de tres quarks (bariones), en
combinaciones de pares quark-antiquark
(mesones), y posiblemente en
combinaciones más grandes.
Los quarks sufren transformaciones por
el intercambio de los bosones W.
PARTÍCULAS FUNDAMENTALES DE MATERIA

17. Los seis leptones son: “electrón”
y “electrón neutrino”, el “muón” y
“muón neutrino”, y “tau” y “tau
neutrino”.
El electrón, el muón y el tau
tienen carga eléctrica y masa
medible, mientras que los
neutrinos son eléctricamente
neutros y tienen muy poca masa.
PARTÍCULAS FUNDAMENTALES DE MATERIA
LEPTONES

18. A nivel macroscópico, sabemos que la fuerza electromagnética media la
interacción entre las partículas con carga eléctrica, y la fuerza gravitatoria
afecta a las partículas con masa. Las teorías de lo que se conoce como física
clásica explican las fuerzas como el efecto de un campo sobre la partícula.
El modelo estándar explica las fuerzas como el resultado del
intercambio de otras partículas por parte de las partículas de materia.
Es decir, se propone que partículas mediadoras, también llamadas
partículas de fuerza o virtuales, son las responsables de las fuerzas.
INTERACCIÓN ENTRE PARTÍCULAS FUNDAMENTALES
Estas partículas interaccionan, pero…
¿Cómo se da la interacción?
¿Quién “transmite el mensaje” de la fuerza entre las partículas que
interactúan?

19. Las cuatro fuerzas fundamentales propuestas por esta teoría son:
fuerza fuerte, fuerza débil, fuerza electromagnética, y fuerza gravitacional.
La fuerza gravitacional es la más débil pero tiene alcance infinito.
La fuerza electromagnética también tiene alcance infinito pero es varias veces
más fuerte que la gravedad.
Las fuerzas fuerte y débil sólo son efectivas en un rango muy corto y actúan
solamente a nivel subatómico.
La fuerza débil es más fuerte que la gravitatoria pero es más débil que las
otras tres.
La fuerza fuerte, es la más intensa de las cuatro interacciones fundamentales.
FUERZAS FUNDAMENTALES DE INTERACCIÓN
La teoría estándar propone que tres de estas fuerzas resultan del
intercambio de bosones.

20. FUERZAS FUNDAMENTALES DE INTERACCIÓN

21. Los bosones que se intercambian en
las interacciones son: fotones,
gluones, bosones W y Z (los cuatro
bosones portadores de fuerza la
teoría estándar), el bosón de Higgs,
y el todavía hipotético gravitón.
Las partículas de interacción son
bosones.
Las partículas de materia (quarks y
leptones) transfieren cantidades
discretas de energía intercambiando
bosones.
PARTÍCULAS FUNDAMENTALES DE INTERACCIÓN

22. Cada fuerza fundamental tiene su correspondiente bosón.
La fuerza fuerte se da por “intercambio” de gluones, la fuerza
electromagnética por fotones, y la fuerza débil involucran a los
bosones W y Z.
El gravitón correspondería a la fuerza gravitatoria, pero aún no fue
encontrado y permanece como partícula propuesta.
La Teoría Estándar incluye a las fuerzas electromagnética, fuerte y débil
ya que explica bien cómo estas fuerzas actúan sobre las partículas de
materia. Pero no incluye a la fuerza gravitatoria, ya que hasta hoy día no
ha sido fácil que el marco teórico de este modelo de cuenta de los
fenómenos gravitatorios.
FUERZAS FUNDAMENTALES DE INTERACCIÓN

23. El fotón es la partícula de intercambio fundamental responsable de la
fuerza electromagnética.
Es portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo
los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz
infrarroja, las microondas y las ondas de radio.
FOTONES

24. Los gluones son las partículas de intercambio de la fuerza de color entre
los quarks. El intercambio de un gluón genera un cambio de color en los
quarks.
El gluón es la partícula de intercambio fundamental que subyace en la
interacción fuerte de los quarks.
GLUONES

25. Las partículas W y Z son las partículas de intercambio fundamental de la
interacción débil, en la cual se genera la transmutación de quarks (cambio de
sabor)
BOSONES W Y Z
Esta interacción está involucrada en muchos
decaimientos de partículas nucleares, que
implican el cambio de sabor de un quark en
otro. Por ejemplo, el decaimiento beta se
explica por interacción débil.

26. Los hadrones son partículas compuestas por quarks y/o antiquarks que
permanecen unidos debido a la interacción nuclear fuerte entre ellos. Hay
dos tipos de hadrones:
i- los bariones que están compuestos por tres quarks (o antiquarks) con
cargas de color diferente. Se dice que su carga de color global es "neutra" o
"blanca", al tener las tres cargas de color compensadas entre sí. Ejemplos de
bariones son los nucleones, esto es, neutrones y protones. Los bariones
tienen spin semientero. Son fermiones compuestos.
ii- los mesones que están formados por un quark y un antiquark. Un ejemplo
de mesones son los piones. Los mesones tienen spin entero. Son bosones
compuestos.
La teoría estándar también propone que las partículas fundamentales pueden
combinarse.
PARTÍCULAS COMPUESTAS: HADRONES

27. ● Los quarks tienen carga eléctrica que se asigna como fraccionaria (+ 2/3e o -1/3e).
● Nunca se detectaron quarks libres, siempre están formando hadrones.
● La suma algebraica de las cargas de los quarks que constituyen un determinado
hadrón es siempre un múltiplo entero de e.
● El protón, por ejemplo, está formado por dos quarks de carga (+2/3 e) y un quark de
carga (-1/3 e) de modo que su carga es (2/3 + 2/3 -l/3) e, o, simplemente, e.
PROTON NEUTRÓN
PARTÍCULAS COMPUESTAS: HADRONES

28. FUERZA FUERTE RESIDUAL
PARTÍCULAS COMPUESTAS: HADRONES
PIONES
Los piones están formados por un quark y un
antiquark. Tienen spin entero. Son bosones
compuestos.
Son responsables de la cohesión de protones y
neutrones en el núcleo atómico.
Continuamente los neutrones del núcleo se
transforman en protones y viceversa, por
intercambio de piones

29. El modelo estándar propone que:
● la materia másica estable conocida está formada por partículas que tienen
una propiedad intrínseca llamada spin cuyo valor es 1/2.
● los fermiones constituyen la materia y siguen el principio de exclusión de
Pauli, esto es lo que da a la materia sus atributos de impenetrabilidad (no
así los bosones que presentan spin entero)
● las partículas elementales de materia que no poseen estructura interna
son leptones y quarks
● las partículas que tienen estructura interna se llaman hadrones; están
constituidas por quarks. Son bariones cuando están formadas por tres
quarks o tres antiquarks, o mesones cuando están constituidas por un
quark y un antiquark.
RECORDAR: El electrón es un leptón, mientras que el protón y el neutrón son
hadrones
RECAPITULANDO….

30. RECAPITULANDO….

31. RECAPITULANDO….
Principio de Exclusión de Pauli
Fermiones Bosones
Partículas que cumplen
el principio de exclusión
de Pauli ó partículas con
spin fraccional
Partículas que incumplen
el principio de exclusión
de Pauli ó partículas con
spin entero
Los leptones y los quarks
tienen spin 1/2
Los bariones formados por
3 quarks (qqq) tienen spin
fraccionales, al ser impar la
suma fraccional de quarks.
spin de 3/2, 5/2, ...
Todas las partículas portadoras de fuerza son
bosones. Ya que tienen spin 1 (una vez la
constante de Planck) a excepción del gravitón
que se espera que tenga spin 2
Los mesones formados por un quark y un
antiquark son también bosones.

32. A la luz de la Teoría Estándar:
¿Cómo está constituido un átomo?
¿Cuáles son las partículas fundamentales que conforman
un átomo y cómo interactúan entre sí?
Para discutir en grupo…

34. RECAPITULANDO….

35. Lo visto hasta aquí no es la Teoría Estándar completa,
es mucho lo que esta teoría aporta que no
estudiaremos en este curso.
Los temas seleccionados son los que nos permitirán
realizar conexiones con el resto de los contenidos de
la asignatura.

36. La partícula de Higgs es una partícula elemental (con masa) predicha en el
modelo estándar. Tiene spin 0, por lo que es un bosón.
El bosón de Higgs desempeña un papel único en el modelo estándar, y un
papel dominante en explicar los orígenes de la masa de otras partículas
elementales.
Hasta el año 2012, ningún experimento había detectado directamente la
existencia del bosón de Higgs. Finalmente el colisionador de hadrones del
CERN dio lugar al hallazgo de una partícula compatible con las propiedades
del bosón de Higgs el 4 de julio de 2012. Pero aún falta ver si ésta nueva
partícula cumple las características predichas del bosón de Higgs dadas por
el modelo estándar.
BONUS TRACK: EL BOSÓN DE HIGGS….

37. BONUS TRACK: EL BOSÓN DE HIGGS….