Article 010
-
Upload
jose-antonio-garcia -
Category
Documents
-
view
221 -
download
0
Transcript of Article 010
-
7/24/2019 Article 010
1/4
SOBRE LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES
LAS PARTCULAS ELEMENTALES
Y LAS TEORAS DE CAMPOS
Narciso Romn Roy
Profesor Titular del Departamento de Matemtica Aplicada y Telemtica
Edificio C 3. Campus Nord u P e Jordi Girona l
08034 Barcelona. Espaa.
e-mail: matnrrmat.upc.es.
INTRODUCCIN
En el campo de la Fsica Terica hay multitud de
temas que, bien sea por su espectacularidad, bien sea por
su trascendencia en el mundo actual, atraen la atencin
no slo del especialista cientfico o tcnico, sino tambin
del pblico profano con inquietudes culturales. Entre
dichos temas, quizs los que ms interesan son los que
tienen que ver con la Teora de la Relatividad, la
Cosmologa y la Astrofsica y el mundo subatmico.
El propsito de este trabajo es incidir en la ltima
cuestin. En concreto, se intentar hacer una somera
descripcin que pueda servir de introduccin al fascinan
te mundo de las fuerzas fundamentales de la naturaleza,
de las partculas elementales y de las teoras fsicas que
tratan de describirlas. Para una informacin ms profun
da y detallada sobre todos estos temas (pero que mantiene
un nivel no excesivamente tcnico) puede consultarse la
referencia (1).
En la naturaleza hay
cuatro fuerzas,
tambin llamadas en
Fsica interacciones o
campos) que son
responsables de todos
los fenmenos en el
Universo
La exposicin est dividida en tres partes. En la
primera se presentan las fuerzas o interacciones funda
mentales y sus caractersticas. La segunda est dedicada
a la descripcin de las partculas elementales y sus
propiedades. Finalmente, en la tercera parte se hacen
R M S DE ESTUDIANTES DEL I
algunos comentarios sobre las teoras
de
campos, que
tratan de explicar estos fenmenos. Tambin se incluye
un apndice donde se explican algunas cuestiones ms
tcnicas que pueden servir para clarificar ciertos aspectos
de la exposicin.
INTERACCIONES FUNDAMENTALES
En la naturaleza hay cuatro fuerzas, (tambin
llamadas en Fsica interacciones o campos) que son
responsables
de
todos los fenmenos en el Universo: la
fuerza o interaccin gravitacional
l
nuclear dbil la
electromagntica
y
lanuclear fuerte. Vamos a describir
brevemente las principales caracter ticas de cada una de
ellas.
Interaccin gravitacional
Descripcin: Es la responsable de la interaccin
entre las partculas con masa
y
por extensin, de la
configuracin a escala macroscpica del Universo y de su
estabilidad.
Accin: Acta sobre todas las partculas que tienen
masa no nula. Es de naturaleza atractiva.
Alcance: Prcticamente infinito.
Fuerza: Es la ms dbil. Tomando como unidad la
ms fuerte de las cuatro, sta sera 10-39 veces ms dbil,
aproximadamente.
Interaccin nuclear dbil
Descripcin: Es la responsable de la desintegra
cin de ciertas partculas inestables; es decir, de aquellos
procesos en los que algunas partculas se descomponen
decaen) en otras ms ligeras. Por extensin, es la que
origina algunos procesos radiactivos desintegracin
beta).
Accin: Acta sobre las partculas denominadas
leptones y quarks (ver la seccin siguiente) .
41
-
7/24/2019 Article 010
2/4
Alcance: Menos de 10-
15
cm.
Fuerza: 1{)-5 en la escala anterior).
Interaccin electromagntica
Descripcin: Es la responsable de la interaccin
entre las
partculas con carga elctrica y,
por extensin,
de todas las reacciones qumicas y, por consiguiente, de
todos los fenmenos biolgicos).
Accin:
Acta sobre todas las partculas cargadas
elctricamente. Es de naturaleza
atractiva.o repulsiva.
Alcance: Prcticamente infinito.
Fuerza:
10.
Interaccin nuclear fuerte
Descripcin:
Es la responsable de la interaccin
entre los
nucleones,
esto es, las partculas que forman el
ncleo atmico protones y neutrones). Mantiene el
ncleo unido obsrvese que al tener los protones carga
elctrica positiva y los neutrones carga nula, por efecto de
la fuerza electromagntica repulsiva entre los primeros,
el ncleo sera inestable de no existir esta fuerza). Por
extensin, es la responsable de la estabilidad de toda la
materia.
Accin:
Acta sobre
las
partculas
denominadasquarks
ver la seccin siguiente). Es de naturaleza
atractiva.
Alcance:
10.
13
cm.
Farrilia NorrtJre Srrnob
Elect.ron
e
Neutrino ela.ronico
LEPIO
Muon
NES Neutrino muOn
ico
VIL
Tsu
1:
Neutrino
tsuOn ico
Vt
Up
Arribs)
u
D: ......., Absjo)
d
QU.ARKS
Chs
rm
E}1canto)
e
Strsnge Extrsflo)
s
Top Cims)
t
Botto m
Fondo)
b
Tabla 1
Fuerza: 1.
Es la ms fuerte.
PARTCULAS ELEMENTALES
De acuerdo con la teora actualmente aceptada
que recibe el nombre de
Modelo Estndar),
las
partcu-
las elementales
pertenecen a dos grandes grupos: los
fermiones y los bosones
1.
En realidad todas las partcu
las subatmicas, sean o no elementales son, o bien
ferrniones, o bien bosones y es el comportamiento estads
tico de dichas partculas el que hace que pertenezcan a
uno u otro grupo. El papel que desempean en la natura
leza las partculas elementales es muy diferente segn
sean ferrniones o bosones, tal y como se ver seguidamen
te.
Fermiones
Las partculas elementales que forman parte del
grupo de
losfermiones
son los constituyentes bsicos de
lamateria
y
laantimateriaen
el Universo. Aunque no hay
una razn aparente que justifique esta asimetra, el
Universo parece estar formado esencialmente de materia,
aun cuando tambin se ha detectado en l la presencia de
antimateria, principalmente formando parte de los rayos
csmicos en forma de antipartculas.
Dentro del grupo de los fermiones existen
familias de partculas elementales: los leptones y los
quarks
2. En cada una de ellas se agrupan partculas
rigurosamente hablando, partculas y sus correspon
dientes antipartculas) con ciertas caractersticas comu
nes:
asa
Generacin
0,511 MaV -1 PJ:im.eIa
-
7/24/2019 Article 010
3/4
Nombre
Smbolo
Masa arga
nteraccin
Gravit n
g
O O Gravitaciona1
Bosones
lo
94000 Me V (aprox) O
Nuclear Dbil
Vectoriales
W W
83000 Me V (aprox)
1
,
-1
Fotn
y
O O
Ele ctro magntic a
Gluones
G
G : 2 ~ G40
Desconocida
O
Nuclear Fuerte
GS
G 6 ~ s
(pero
no
nula)
Tabla 2
Leptones:Todos ellos son sensibles a la interaccin
nuclear dbil pero no a la fuerte.
Quarks:
Todos ellos son sensibles a la interaccin
nuclear fuerte. Una caracterstica de estas partculas es
que no aparecen como partculas libres sino como ingre-
dientes de otras ms pesadas que se denominan hadrones:
las combinaciones de dos quarks
unquark
y
unantiquark)
Uno de los objetivos
principales de la Fsica
Terica es poder unificar
la
descripcin de las
cuatro interacciones en
una sola teora de
campos que slrva para
explicarlas todas al
unsono
son los llamados
mesones
(y
antimesones),
mientras que
las de tres quarks (o tres
antiquarks)
reciben el nombre de
bariones (o antibariones), los ms conocidos e importan-
tes de stos ltimos son el
protn
y
el neutrn.
En cada una de estas familias hay tres
generacio-
nes.
Al parecer, para explicar la constitucin de la
materia slo la primera generacin es realmente necesa-
ria y, hoy en da, el papel que juegan las otras dos no est
completamente claro (en general las partculas de estas
generaciones forman partculas pesadas altamente ines-
tables, que son los
mesones y bariones pesados).
En la tabla 1 se recogen las propiedades principa-
les de los leptones y los quarks. Para cada una de las
partculas existe la correspondiente antipartcula: ambas
tienen la misma masa pero carga elctrica opuesta (vase
el apndice).
RAMAS DE ESTUDIANTES DEL
I
Bosones
Las partculas elementales del grupo de los bosones
son las que llevan a cabo las interacciones fundamenta-
les. sto significa que dos partculas ferrninicas que
interacten entre si mediante una de las cuatro fuerzas, lo
hacen
intercambiando alguna
de
stas
partculas
bosnicas.
Hay cuatro clases de partculas eleme tales del
tipo bosnico. Cada una de ellas corresponde a una de las
cuatro interacciones y contiene una o varias partculas.
En la tabla 2 se describen las principales propie-
dades de todas ellas. (Hay que hacer notar que, a diferen-
cia de las partculas elementales ferrninicas, las bosnicas
no tienen antipartculas).
Es interesante hacer notar que existe una estrecha
relacin entre el alcance de una interaccin y la masa del
bosn o bosones que la implementa: en general, cuanto
mayor es la masa de
la
partcula intermediadora, menor
es el alcance de la interaccin. Concretamente:
. La interaccin gravitacional y la electromagntica
tienen alcance infinito, lo cual est relacionado con el
hecho de que las partculas que las sustentan (gravitn y
fotn) tienen masa nula.
La interaccin gravitacional y la electromagntica tie-
nen alcance finito, lo cual est relacionado con
l
hecho
de que las partculas que las sustentan (bosones vectoriales
y gluones) tienen masa no nula.
TEORAS DE CAMPOS
Para poder explicar
de
manera terica
las
interacciones fundamentales y, eventualmente, la rela-
cin entre stas y las partculas elementales, los fsicos y
matemticos han elaborado diversas teoras que reciben
el nombre genrico de
Teoras de Campos.
Las hay de
dos tipos:
Teoras Clsicas de Campos: Son las que tratan
de explicar el comportamiento macroscpico de las
4
-
7/24/2019 Article 010
4/4
Interaccin
Teora lsica
Teora untica
Unificacin
GRA VITACIONAL
Teona
......
.
. .
de
la
Sin elaborar
,
..,
Teona
Relafuridad General
, .
NUCLEAR
No
existe
de
DBIL
su rango es slo
Teona
Dbil Teona
Teona
nUcroscnico)
de
Super
ELECTRO-
Elel:trodinmic:a Elel:tro
MAGNTICA
Teona de Maxwell Cunma Dbil
Gran Unifil:adn
OED)
NUCLEAR No existe
Cromodinmic:a
Unifil:adn
An no
FUERTE su
rango
es slo
Cunma
elaborada)
nUcroscnico)
Tabla 3
interacciones; esto es, cuando se consideran partculas y
distancias grandes macroscpicas).
Teoras Cunticas de
Campos:
Son las que tratan
de explicar el comportamiento microscpico de las
interacciones; esto es, cuando se consideran partculas y
distancias microscpicas en concreto, cuando se trabaja
a nivel subatmico, atmico
o
molecular).
Actualmente hay teoras de campos que describen
bien cada una
de las
interacciones, clsica
y/o
cunticamente. Uno de los objetivos principales de la
Fsica Terica es poder unificar la descripcin de las
cuatro interacciones en una sola teora de campos que
sirva para explicarlas todas al unsono y que tendr que
ser cuntica necesariamente,
ya
que algunas
de
las
interacciones slo tienen rango microscpico). Hasta el
momento, este objetivo slo se ha cubierto parcialmente,
aunque hay diversos intentos para culminarlo, como son
las teoras de Supersimetra ySupergravedady las teoras
de Cuerdas y Supercuerdas.
La situacin en el presente se resume en la tabla 3,
en la que se halla especificado el nombre y carcter de las
teoras que modelizan cada una de las interacciones.
La interaccin gravitacional
y
la
electromagntica tienen alcance
finito,
lo
cual est relacionado con
el hecho de que las partculas que
las sustentan bosones vectoriales
y gluones) tienen masa no nula
44
OCD)
La masa de las partculas
elementales se mide en unidades
de energa. Ello es debido a la
conocida relacin entre masa
y
energa establecida en la teora
de la Relatividad Especial
APNDICE
La
masa de las partculas elementales se mide en
unidades de energa. Ello es debido a la conocida relacin
entre m s y energa establecida en la teora de
l
Relatividad Especial: E=mc
2
E es la energa,
In
es
la
masa en reposo de la partcula y c es la velocidad de
la
luz). La unidad utilizada es el electrn-Volt eV) que es
el incremento de la energa cintica de un electrn que
est sometido a una diferencia de potencial de 1 Volt a lo
largo de 1 centmetro, y equivale a 1,602xlO-
19
Jouls. En
unidades de masa, 1 eV equivale a 1,782xlO-
33
gramos. 1
MeV es un milln de eVo
Para medir la carga elctrica de las partculas se
toma como unidad la carga del electrn que es 1 602x
10-
19
Coulombs.
Hay otras propiedades que son indispensables
para la completa descripcin de las partculas elementa
les como son el spin, el nmero barinico, el nmero
leptnico, etc.), pero cuya explicacin excede el objetivo
de esta exposicin.
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
l.
VARIOS
AUTORES: Partculas Elementales. Quarks,
Leptones y unificacin de las fuerzas. Libros de Investi
gacin y Ciencia. Prensa Cientfica. Barcelona 1984.
BURAN N 9 MAYO 1997