Boson De Higgs

En el presente capítulo haré la descripción de las partículas elementales ya que son los constituyentes elementales de la materia, más precisamente son partículas que no están constituidas por partículas más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna.

Después de 1932, los físicos imaginaban a toda materia compuesta de sólo tres partículas: el protón, el neutrón y el electrón. A principios de 1945 se descubrieron muchas nuevas partículas. Sin embargo hasta los años 60, los físicos estaban confundidos por el gran número y variedad de partículas subatómicas, que se estaban descubriendo.

Los físicos de partículas se han esforzado desde un principio por clasificar las partículas conocidas y por describir toda la materia y sus interacciones. A lo largo de la historia de la física han existido muchas partículas que en su momento se han definido como indivisibles, tales como los protones y neutrones, que más adelante se ha demostrado que no lo son. Después de diferentes teorías atómicas y nucleares, en la actualidad se usa el llamado modelo estándar para describir la materia que constituye el universo y sus interacciones.

Estas partículas están divididas en dos grandes categorías que son los bosones y los fermiones, para poder agrupar estas partículas se han observado varias características que tienen en común; a estas se les llama números cuánticos. Estos son:

n = número cuántico principal, que indica el nivel de energía donde se encuentra el electrón y asume valores enteros positivos, del 1 al 7.

l = número cuántico secundario, que indica el orbital en el que se encuentra el electrón, puede ser s , p , d y f (0 , 1 , 2 y 3 ).

m = número cuántico magnético; representa la orientación de los orbitales en el espacio, o el tipo de orbital, dentro de un orbital especifico. Asume valores del número cuántico secundario negativo (-l) pasando por cero, hasta el número cuántico positivo (+l).

s = número cuántico de spin, que describe la orientación del giro del electrón. Este número tiene en cuenta la rotación del electrón alrededor de su propio eje a medida que se mueve rodeando al núcleo. Asume únicamente dos valores: – 1 y +1/2.

El spín es una propiedad física de las partículas subatómicas. Se trata de una propiedad intrínseca de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica. El espín se mide en unidades de la constante de Planck. Y los valores que puede tomar son 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2…

El spín se determina fácilmente mediante un teorema, se llama teorema spín-estadística. No entraremos a formular el teorema ni su demostración, aunque es muy divertido, pero lo enunciaremos y pondremos un simple ejemplo totalmente inventado para ver qué implica.

Teorema Spín-Estadística

Si tenemos dos partículas fermiónicas el estado total de ambas partículas se escribirá como una combinación antisimétrica de los estados individuales de cada una de ellas.

Si tenemos dos partículas bosónicas el estado total de ambas partículas se escribirá como una combinación simétrica de los estados individuales de cada una de ellas.

Inventemos una característica imaginaria, pura fantasía, pero que servirá para capturar la esencia de todo esto.

Supongamos que tenemos una partícula y que el estado de tal partícula es ser peluda o ser calva.

Si tengo dos partículas entonces está claro que las combinaciones son:

1º partícula peluda – 2º partícula peluda

1º partícula peluda – 2º partícula calva

1º partícula calva – 2º partícula peluda

1º partícula calva – 2º partícula calva

Si las partículas son fermiones el teorema espín-estadística nos dice que el estado total tiene que ser antisimétrico. ¿Y eso cómo se come?

Eso es fácil, un estado es antisimétrico cuando al cambiar la característica de interés de la partícula 1 a la 2 el estado cambia de signo. Así que sólo nos queda una opción en este ejemplo inventado:

Si intercambiamos la característica de 1 a 2 y viceversa nos queda:

Pero observemos que:

Análogamente los bosones tienen que ser combinaciones simétricas, y suponemos que ahora no será fácil de imaginar que dichas combinaciones son las que no cambian de signo al cambiar la característica de interés de la partícula 1 a la 2 y viceversa.

Por lo tanto, para bosones tendremos:

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Fermiones

Un fermión, llamado así en honor al célebre científico italiano Enrico Fermi , es uno de los dos tipos básicos de partículas que existen en la naturaleza. Los fermiones se caracterizan por tener spín semi-entero (1/2, 3/2,...), y están sujetos al principio de exclusión de Paul.

El principio de exclusión de Pauli fue enunciado por Wolfgang Ernst Pauli en 1925. Establece que no puede haber dos fermiones con todos sus números cuánticos idénticos en el mismo sistema cuántico ligado, es decir, no puedes poner los electrones que quieres en la órbita que quieras o en general dos partículas con espines semienteros no pueden tener los mismo números. El principio de exclusión de Pauli sólo se aplica a fermiones, esto es, partículas que forman estados cuánticos anti simétricos y que tienen spín semientero. Son fermiones, por ejemplo, los electrones y los quarks. En resumen, el principio de exclusión de Pauli nos dice, que dos o más fermiones no pueden estar en el mismo estado.

Los fermiones se dividen en dos grupos: los quarks y los leptones. Esta diferencia se aplica debido a que los leptones pueden existir aislados, a diferencia de los quarks que se encuentran siempre en presencia de otros quarks. Los grupos de quarks no pueden tener carga de color debido a que los gluones que los unen poseen carga de color.

Leptones

Electrón:

Descubierto en 1897 por el físico inglés J. J. Thomson . Los electrones son partícula con carga eléctrica negativa que da origen a la electricidad cuando fluyen en un conductor. Los electrones

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