Modelo estándar de la física de partículas

El modelo estándar de la física de partículas es una teoría relativista de campos cuánticos desarrollada entre 1970 y 1973 basada en las ideas de la unificación y simetrías que describe la estructura fundamental de la materia y el vacío considerando las partículas elementales como entes irreducibles cuya cinemática está regida por las cuatro interacciones fundamentales conocidas. 



En física de partículas, se denomina fuerza fundamental a cada una de las clases de interacciones entre las partículas subatómicas:




Las fuerzas de gravedad son tan débiles a escalas nucleares que son despreciables en los experimentos actuales.
Las fuerzas débiles son responsables de la desintegración beta (decaimiento beta+ y beta-).
Las fuerzas electromagnéticas son ampliamente conocidas (campos eléctricos y magnéticos).
La fuerza nuclear fuerte incluyen a las fuerzas que mantienen a los núcleos atómicos unidos, la interacción de los nucleones con los mesones pi y a la producción de partículas extrañas. En general abarca las interacciones entre hadrones.










Desintegración alfa, beta y gamma

DESINTEGRACIÓN ALFA
La desintegración alfa o decaimiento alfa es una variante de desintegración radiactiva por la cual un núcleo atómico emite una partícula alfa y se convierte en un núcleo con cuatro unidades menos de número másico y dos unidades menos de número atómico.

Se le puede considerar emisión espontánea de núcleos de Helio-4 (4He2+), en adelante partículas α, a partir de núcleos de átomos más pesados, mediante un proceso de fisión nuclear espontanea. Este tipo de desintegración es típico únicamente de los núcleos atómicos muy pesados.
La secuencia de este fenómeno de desintegración se representa mediante la ecuación siguiente:



Con el uranio 238, por ejemplo:   

DESINTEGRACIÓN BETA
La desintegración beta, emisión beta o decaimiento beta es un proceso mediante el cual un nucleido o núclido inestable emite una partícula beta (un electrón o positrón) para compensar la relación de neutrones y protones del núcleo atómico. Esta desintegración viola la paridad.
Cuando la relación entre el número de protones y el número de neutrones es inestable, algunos neutrones se convierten en protones, o viceversa. En este tipo de desintegración, el número de neutrones y protones, o número másico, permanece estable, ya que la cantidad de neutrones disminuye una unidad y la de protones aumenta así mismo una unidad. El resultado del decaimiento beta es un núcleo en que el exceso de neutrones o protones se ha corregido en dos unidades y por tanto resulta más estable.

Desintegración β
Un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico:
Ejemplo:    14 6C → 14 7N + e
Desintegración β+
Un protón deviene en un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico:

Ejemplo:   23 12Mg → 23 11Na + e+


Diagrama de Feynman, de una desintegración β–. Mediante este proceso un neutrón puede convertirse en protón. En la figura uno de los tres quarks del neutrón de la izquierda (quark d, en azul), emite un bosón W- y pasa a ser un quark (u). El bosón emitido (W-) se desintegra en un antineutrino y un electrón.

RADIACIÓN GAMMA
La radiación gamma o rayos gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto constituida por fotones, producida generalmente por elementos radiactivos o por procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. También se genera en fenómenos astrofísicos de gran violencia.

Aniquilación de un par positrón-electrón con radiación gamma


Los rayos gamma se producen por desexcitación de un nucleón de un nivel o estado excitado a otro de menor energía y por desintegración de isótopos radiactivos.


Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa y la beta. Pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo cual se usan para esterilizar equipos médicos y alimentos.


ENERGÍA DE DESINTEGRACIÓN
La energía de desintegración es la diferencia de energía existente entre las partículas iniciales y las finales de un proceso de desintegración. Se aplica la relación entre la masa y la energía:
 E=mc^{2}\,\!

E = (masa de los partículas iniciales - masa de las partículas finales) · c²


Si la energía, E es positiva, la reacción es exoérgica o exotérmica; si es negativa la reacción es endoérgica o endotérmica.

LHC

El Gran Colisionador de Hadrones, (en inglés Large Hadron Collider, LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde a su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones, de hasta 7 TeV de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar, el cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas, del que se conoce su ruptura a niveles de energía altos.

Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99 % de la velocidad de la luz, y se los hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del big bang.

El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Usa el túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.

Una vez enfriado hasta su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K (menos de 2 grados por encima del cero absoluto o −273,15 °C), los primeros haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008, y el primer intento para hacerlos circular por toda la trayectoria del colisionador se produjo el 10 de septiembre del año 2008. Aunque las primeras colisiones a alta energía en principio estuvieron previstas para el 21 de octubre de 2008,4 el experimento fue postergado debido a una avería que produjo la fuga del helio líquido que enfría uno de los imanes superconductores.

A fines de 2009 se volvió a poner en marcha, y el 30 de noviembre del 2010 se convirtió en el acelerador de partículas más potente al conseguir energías de 1,18 TeV en sus haces, superando el récord anterior de 0,98 TeV establecido por el Tevatrón estadounidense. El 30 de marzo de 2010 las primeras colisiones de protones del LHC alcanzaron una energía de 7 TeV (al chocar dos haces de 3,5 TeV cada uno) lo que significó un nuevo récord para este tipo de ensayos. En 2012 el LHC empezó a funcionar a 4 TeV por haz y en febrero de 2013 se paró durante 20 meses para realizar las mejoras necesarias para la operación a la energía máxima de 7 TeV por haz; la reapertura se previó inicialmente para finales de 2014, aunque todo parece apuntar que ésta se llevará a cabo alrededor del próximo abril de 2015.

Este instrumento permitió confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs el 4 de julio del 2012, a veces llamada “partícula de la masa”. La observación de esta partícula es importante para explicar cómo las otras partículas elementales adquieren propiedades como la masa y es un paso significativo en la búsqueda de una teoría de la gran unificación, que pretende relacionar tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, quedando fuera de ella únicamente la gravedad y para determinar por qué la gravedad es tan débil comparada con las otras tres fuerzas. Junto al bosón de Higgs también podrían producirse otras nuevas partículas cuya existencia se ha predicho teóricamente, y cuya búsqueda se ha planificado, como los strangelets, los micro agujeros negros, el monopolo magnético o las partículas supersimétricas.



Todos los controles del acelerador, de sus servicios y la infraestructura técnica están alojados en un mismo lugar en el Centro de Control del CERN. A partir de aquí, los haces de partículas en el interior del LHC se hacen colisionar en cuatro lugares alrededor del anillo acelerador, que corresponden a las posiciones de los cuatro detectores de partículas: ATLAS , CMS , ALICE y LHCb.

FUNCIONAMIENTO DEL LHC:

Felices Fiestas

Quiero despedir este año agradeciendo a todos los visitantes del Blog y especialmente a mis alumnos, por haber llegado en 4 años a los 2.000.000 de visitas.




Y para que a la vuelta de las vacaciones estemos todos con las pilas cargadas, me adhiero a la magnífica carta del profesor Pablo Poó Gallardo (Profesor de Lengua castellana y Literatura en la ESO), que comparto con vosotros a modo de reflexión.

Podéis encontrar la carta en el siguiente link:



Espero que estés fastidiado por haber suspendido. Si te da igual es una mala, muy mala señal.

Siempre me preguntas lo mismo: "¿Para qué quiero estudiar si yo voy a trabajar en el campo?" o "¿Para qué quiero estudiar Lengua si voy a ser peluquera?". No sabes nada de la vida; y no lo sabes porque lo tienes todo. A pesar de que en casa no entra mucho dinero, nunca te ha faltado de nada, porque tienes unos padres que se parten el lomo por ti para que, precisamente, nada te falte: tienes tu móvil, tus sudaderas un tanto horteras, te pagan tus botellones, tus videoconsolas. De puta madre todo.

Pero la vida no tiene nada que ver con la burbuja utópica en la que os envolvemos durante toda la ESO. La vida es una putada; y no te espera, no te comprende y no te hace recuperaciones. ¿Crees que cuando vayas a echar una beca fuera de plazo te van a aceptar la solicitud? Aquí puedes traer la autorización para una excursión cuando te salga del alma, hasta te la cogemos en la misma puerta del bus: pobrecito, no se vaya a traumatizar. ¿Crees que si no llegas a la nota media del ciclo que quieres estudiar vas a entrar por tu cara bonita? No, te vas a quedar en tu casa y te vas a comer tu título de secundaria con patatas.

La vida no es la ESO, desconfía de todos aquellos que quieren que seas feliz entre los 12 y los 16. Cuando seas mayor de edad les vas a importar un pimiento: "Hicimos todo lo que pudimos, adaptamos las asignaturas que no aprobaba, firmamos compromisos educativos por su mal comportamiento, le hicimos rellenar cuatrocientas doce fichas de reflexión... no entiendo qué pudo pasar". Pasó que menos prepararos para la vida, hacen con vosotros de todo; y luego, en tu ciclo, cuando te pongan un examen de más de dos temas, no vas a tener genitales de aprobarlo. No porque seas tonto, sino porque no te hemos enseñado a estudiar, ni a esforzarte, ni a pensar. Y dejarás el ciclo y volverás a tu casa con un papel que pone que has terminado la ESO y que ya me contarás para qué te sirve. Pero los que quisieron hacerte feliz hasta los 16, hicieron todo lo que pudieron, no vayas a pedirles cuentas. Estarán liados con otra generación.

A mí me importas de verdad porque nuestra relación no se acaba cuando cumplas dieciséis, yo he firmado contigo un contrato de por vida.

¿Qué clase de contrato vas a firmar, si no te enteras de lo que pone en los textos que leemos en clase? Cuando te des cuenta, y eso con suerte de que te contraten, habrás estampado tu firma sobre un sueldo de mierda o sobre una jornada laboral eterna. Y si no haces lo que te dicen y como te lo dicen, a la calle. No eres especial, hay treinta más como tú deseando coger ese hipotético puesto de trabajo. Hipotético significa supuesto. Supuesto, imaginado.

No te hace falta el Romanticismo para trabajar en el campo, tampoco para coger rulos, pero sí para saber que, hace doscientos años, unos cuantos tuvieron el valor suficiente para hacerles frente a las normas de una sociedad que creían injusta, con la que no se sentían identificados. Y tú, que no tienes referentes culturales, que leemos cualquier texto y, en cada línea, hay tres palabras que no entiendes porque es la primera vez que las escuchas, pensarás que hay cosas imposibles porque, simplemente, mientras rellenabas fichas de reflexión, nadie te enseñó que, antes que vuestra merced, varias generaciones ya lo habían conseguido.

Cuando te hablen desde el atril, aplaudirás como un idiota, te creerás sus monsergas; y todo porque no tienes sentido crítico. Porque nos tienen tan ocupados con la burocracia y con las nuevas triquiñuelas de cada ley educativa que nos imponen para aprobaros por la cara que ya no os enseñamos a pensar. Te echarás piedras sobre tu propio tejado sin darte cuenta, pero luego irás al bar y, en la barra, repetirás lo que quieren que repitas y, entre tus chapucillas y el paro, irás tirando.

Que no, que la vida no es como la ESO. Que estudiar asignaturas distintas te sirve para ampliar tu cultura y, con ella, tu mente. Parece mentira pero, en las mentes abiertas, es más difícil entrar. Una mente simple se conquista fácilmente, solo tiene una puerta. No puedes terminar una maratón si nunca has entrenado, por mucha capacidad física que tengas. No puedes terminar un ciclo o un bachillerato si antes no has adquirido un método y un hábito de esfuerzo y estudio.

Siéntete mal por no haber aprobado, piensa que tu futuro depende en gran parte de lo que hagas ahora. Y, a partir de enero, vas a venir aquí a dejarte la piel: vas a dejar de dormir en clase y pensar que no puedes solo porque no lo intentas; vas a demostrar que no necesitas que te bajemos el nivel, porque sabes que tienes capacidad de sobra. A partir de enero me vas a entregar todo lo que te pida y como te lo pida, porque si no, pequeño, estás perdido. No ahora, seguramente te sacarás el título. Lo sabes tú y lo sé yo.

Pero a mí me importas de verdad porque nuestra relación no se acaba cuando cumplas dieciséis, yo he firmado contigo un contrato de por vida.

Ranura Simple de Fraunhofer

Este experimento es otro intento de visualizar más claramente la naturaleza de la difracción por rendija simple. El fenómeno de la difracción consiste en la difusión de las ondas que han pasado a través de aberturas, cuyo ancho están en el orden de la longitud de onda de la onda. 




Rejilla de difracción


Condiciones para interferencias. Experimento de Young 1801.

Condiciones para la interferencia
La superposición de dos ondas mecánicas puede ser constructiva o destructiva. En la interferencia constructiva, la amplitud de la onda resultante es mayor que una u otra onda individual, mientras que en la interferencia destructiva, la amplitud resultante es menor que la onda más grande. Las ondas de luz también interfieren entre ellas. Fundamentalmente, toda interferencia asociada con ondas de luz aparece cuando se combinan los campos electromagnéticos que constituyen las ondas individuales.
Si dos focos de luz se colocan uno al lado del otro, no se observan efectos de interferencia porque las ondas de luz de cada uno se emiten independientemente de la otra. Las emisiones de los dos focos no mantienen una correspondencia de fase constante entre ellos con el tiempo. Las ondas de luz de una fuente ordinaria, como es un foco, se somete a cambios de fase aleatorios en intervalos menores a un nanosegundo. Por lo tanto, las condiciones para interferencia constructiva, interferencia destructiva, o algún estado intermedio, se mantienen sólo durante estos intervalos de tiempo. Puesto que el ojo humano no puede seguir cambios tan rápidos, no se observan efectos de interferencia. Se dice que estas fuentes de luz son incoherentes.
Para observar interferencia en ondas de dos fuentes, debe cumplir las siguientes condiciones:
  • Las fuentes deben ser coherentes, es decir, deben mantener una fase constante respecto de otra.
  • Las fuentes deben ser monocromáticas, es decir, de una sola longitud de onda.

Por ejemplo, las ondas de sonido de una sola frecuencia emitidas por dos altavoces colocados uno al lado del otro y activados por un solo amplificador pueden interferir entre sí porque los dos altavoces son coherentes, es decir, responden al amplificador de la misma forma en el mismo tiempo.


Experimento de doble rendija de Young
Un método común para producir dos fuentes de luz coherentes consiste en usar una fuente monocromática para iluminar una barrera que contenga dos pequeñas aberturas, por lo general en forma de ranuras. La luz que sale de las dos ranuras es coherente porque una sola fuente produce el rayo de luz original y las dos ranuras sirven sólo para separar el rayo original en dos partes (que, después de todo, es lo que sucede con la señal de sonido desde los dos altavoces anteriores). Cualquier cambio aleatorio en la luz emitida por la fuente se presenta en ambos rayos al mismo tiempo y, en consecuencia, se observan efectos de interferencia cuando la luz de las dos ranuras llega a una pantalla de observación.
Si la luz se mueve sólo en su dirección original después de pasar por las ranuras, como se muestra en la figura, las ondas no se traslaparían y no se vería patrón de interferencia alguna. En lugar de ello, según el principio de Huygens, las ondas se extienden desde las ranuras.
En otras palabras, la luz se desvía de una trayectoria recta y penetra en la región que de otro modo estaría sombreada, esta divergencia de luz a partir de su línea inicial de recorrido se denomina difracción.



La interferencia en ondas de luz de dos fuentes fue demostrada primero por Thomas Young en 1801. 

Las ondas planas llegan a una barrera que contiene dos ranuras paralelas S1 y S2. La luz de S1 y S2 produce, en una pantalla, una configuración visible de bandas brillantes y oscuras paralelas llamadas franjas. Cuando la luz desde S1 y desde S2 llega a un punto tal en la pantalla que ocurre interferencia constructiva en ese lugar, aparece una franja brillante. Cuando la luz de las dos ranuras se combina destructivamente en cualquier lugar sobre la pantalla, resulta una franja oscura.


Ondas en Interferencia. El experimento de doble rendija de Young sirve como prototipo para fenómenos de interferencia que involucran radiación electromagnética. En este experimento, dos rendijas separadas por una distancia d se iluminan mediante una fuente de luz de una sola longitud de onda. 

Las condiciones para franjas brillantes (interferencia constructiva) y para franjas oscuras (interferencia destructiva) son:










El número m es el número de orden de la franja.

También es útil obtener expresiones para las posiciones lineales observadas a lo largo de la pantalla desde O hasta P. A partir del triángulo OPQ de la figura, las posiciones lineales de las franjas brillante y oscura son: