Débil Interacción

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Débil Interacción y las familias de partículas de electricidad

Las investigaciones sobre la estructura de la materia en distancias cortas han revelado tres familias (a veces llamadas generaciones) de partículas y antipartículas elementales, idénticas en todos los aspectos excepto en los valores de sus masas. La materia estable consiste sólo en partículas de la primera familia. Los miembros de las otras dos familias son partículas inestables más pesadas que existieron en los primeros momentos del universo y que se producen rutinariamente en los aceleradores de partículas.

Todos los miembros de la familia comparten algunos atributos, como la masa, el impulso y el espín-½, pero sus interacciones las diferencian en dos clases, quarks y leptones. Los quarks están sujetos a interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas, mientras que los leptones no tienen interacciones fuertes. Cada familia consiste en un leptón cargado negativamente, su leptón neutro asociado, y dos quarks, de cargas eléctricas fraccionadas de 2/3 y -1/3, cada uno de los cuales viene en tres colores. La primera familia que compone toda la materia contiene el electrón e con carga -1 y su neutrino asociado (véase qué es, su concepto jurídico; y también su definición como “associate” en derecho anglo-sajón, en inglés) υe, la carga 2/3 arriba quark (u), y el abajo quark (d) de carga -1/3. Los miembros de la segunda familia son el muón con carga negativa μ y su neutrino υμ, el quark charm (c), y el quark extraño (s). La tercera familia está formada por el tau τ lepton y su neutrino υτ, el quark superior (t), y el quark inferior (b). Los miembros de la tercera familia son los más pesados.

Esta clasificación es notablemente simple según los estándares históricos. A finales del siglo XIX, los químicos y físicos determinaron que toda la materia era una disposición de un número finito de átomos eléctricamente neutros, cada uno con propiedades químicas definidas pero con una estructura desconocida. Sus hallazgos se resumieron en la tabla periódica de elementos de Dmitry Mendeleyev. Un siglo después, se había comprendido la naturaleza de los átomos, las fuerzas que los mantienen unidos y sus interacciones. Este conocimiento se plasmó en el Modelo Estándar de la física de partículas elementales.

Un retrato anterior de las partículas elementales, alrededor de 1935, muestra dos partículas nucleares, el neutrón y el protón, y dos leptones, el electrón y su neutrino asociado. Este retrato de la primera familia permaneció esencialmente inalterado durante treinta y cinco años.Entre las Líneas En 1970, un grupo del SLAC-MIT realizó un experimento del tipo Rutherford a una energía tan alta como para sondear directamente los núcleos atómicos. Esto produjo un resultado sorprendente: los neutrones y protones no son elementales, sino más bien un conjunto de partículas cargadas fraccionadamente, quarks, como ya lo habían supuesto Murray Gell-Mann y George Zweig. Los protones y los neutrones contienen cada uno tres quarks, uud y udd, respectivamente.

Los quarks no existen como partículas libres, sino que se encuentran sólo en trillizos estrechamente unidos, o pares quark-antiquark. La cromodinámica cuántica (QCD) explica este peculiar comportamiento en términos de las interacciones de los quarks y los gluones de spin-1 sin masa, que se acoplan a los colores de los quarks. Esto produce un nuevo retrato de la primera familia: tres colores de quarks arriba y abajo, el electrón y su neutrino. Estos están sujetos a fuertes interacciones, descritas por ocho gluones sin masa, e interacciones electromagnéticas, debido a los intercambios de fotones estables sin masa γ.

Más Información

Las interacciones débiles resultan de los intercambios de dos partículas masivas inestables, los bosones W cargados y los bosones Z neutrales, ambos predichos por el Modelo Estándar y encontrados experimentalmente en el Laboratorio Europeo de Física de las Partículas (CERN) a principios de los 80.

En un período de setenta años, surgieron otras dos familias, comenzando con el descubrimiento en el decenio de 1930 del muón en los subproductos de las colisiones de los rayos cósmicos con la atmósfera. I. I. La famosa broma de Rabi “¿quién ordenó eso?” sigue sin respuesta hoy en día. A esto le siguió el descubrimiento de partículas nucleares inestables, interpretadas como conteniendo un nuevo sabor a quark, el extraño quark. Se descubrió que el muón tenía su propio neutrino, pero no fue hasta 1974 que la evidencia del quark charm se produjo en el Brookhaven National Laboratory (BNL) y en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), en la forma de un estado de larga duración ligado al charm-anticharm, llamado J/ψ, completando la segunda familia.Entre las Líneas En 1977, el primer signo de una tercera familia, el lepton tau pesado, también se encontró en el SLAC. El resto de la tercera familia fue descubierta en el Laboratorio Nacional Fermi: el quark inferior en 1979, el quark superior en 1995, y el neutrino tau en 2000.

No hay ningún signo experimental de una cuarta familia de partículas elementales, y hay un fuerte argumento contra su existencia. El tiempo de vida del bosón Z fue medido con gran precisión en el SLAC y el CERN a principios de los años 90, y todos sus canales (véase qué es, su definición, o concepto, y su significado como “canals” en el contexto anglosajón, en inglés) de decaimiento han sido identificados con pares de partículas-antipartículas de las tres primeras familias. Una cuarta familia de carbono con un neutrino ligero daría una nueva forma para que los bosones Z se descompongan en el cuarto par neutrino-antineutrino, en desacuerdo con el experimento: el bosón Z cuenta el número de neutrinos que interactúan débilmente y sólo encuentra tres. ¡No hay una cuarta familia con un neutrino ligero!

La gran disparidad entre las masas de partículas elementales sigue siendo un misterio y el tema de mucha investigación teórica; por ejemplo, el recientemente descubierto quark superior es unas 175 veces más pesado que el hidrógeno, mientras que la masa del quark superior es doscientas veces mayor que la del hidrógeno. La situación es similar para los leptones cargados: la masa del electrón es 1/200 la del muón, que es diez veces más ligera que la del tau. Hasta 1998, cuando el detector subterráneo Super-Kamiokande (SuperK) de Japón presentó pruebas convincentes de lo contrario, se creía que los tres neutrinos habían escapado a esta jerarquía de masas ya que cada uno parecía tener masa cero.Entre las Líneas En 2001 el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO), en Ontario (Canadá), presentó nuevas pruebas que corroboraban una larga serie de experimentos anteriores en los que se había encontrado un déficit de neutrinos solares. Según el SuperK, los υμ producidos en la colisión de los rayos cósmicos con la atmósfera oscilan en los υμ, mientras que el SNO determinó que los neutrinos de electrones producidos en el núcleo solar oscilan en su camino hacia la Tierra en otros sabores de neutrinos, υμ y/o υτ, por lo que un detector de neutrinos de electrones verá un déficit. Las oscilaciones requieren sabores de neutrinos de diferentes masas.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Otros Elementos

Además, las masas de los neutrinos son extremadamente diminutas comparadas con las de sus compañeros cargados; por ejemplo, υe es al menos 1 millón de veces más ligero que un electrón.

Muchas de las investigaciones actuales se centran en las siguientes preguntas: ¿por qué existen tres familias? La naturaleza parece operar como una burocracia, requiriendo copias triples, sin ninguna razón aparente. ¿Es esto una señal de que se necesita una mayor unificación? Sin embargo, esta triplicación también trae consigo nuevos e importantes fenómenos como la violación del CP y las oscilaciones de neutrinos. ¿Cuál es el origen de las jerarquías de masa de quarks y leptones cargados? ¿Por qué las masas de neutrinos son tan pequeñas? ¿Qué tipo de nueva materia espera ser descubierta?

A medida que la investigación de los constituyentes fundamentales y sus interacciones a energías más altas continúa en el Tevatrón del Fermilab y en el Gran Colisionador Hadrónico (LHC) del CERN, los físicos esperan encontrar nuevos tipos de materia. Una especulación digna de mención, la supersimetría, sugiere que la nueva materia también está organizada en tres familias de partículas elementales, con exactamente los mismos atributos, ¡excepto por el espín! Todas las partículas elementales con spin-½ de las tres familias tienen contrapartes pesadas sin spin. Las contrapartes sin espín de los neutrinos con espín ligero-½, llamados sneutrinos, son naturalmente pesadas y no afectan la vida del bosón Z. Tales especulaciones esperan el veredicto de los experimentos.

Datos verificados por: Marck

Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Débil interacción: Weak interaction

Véase También

Bibliografía

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