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: