Fisica de particulas

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Introducción a Física 
de Partículas 
y a la Teoría Estándar
En la física de partículas, se considera que la materia es el 
conjunto de todas las partículas existentes y que la 
antimateria es una forma de materia menos frecuente que 
está formada por antipartículas.
¿Cómo surge el estudio de la antimateria? Paul Dirac, en 
1928 planteó una ecuación que podría describir el 
comportamiento de un electrón moviéndose a muy altas 
velocidades. Esta ecuación (por la que ganó el Premio 
Nobel en 1933 junto a Erwin Schrödinger) presentaba dos 
soluciones posibles, una para un electrón con energía 
positiva y otra para un electrón con energía negativa. 
Pensar en energías negativas era incompatible con la física 
clásica. 
Con estos resultados, Dirac planteó que existirían electrón y 
positrón, partículas idénticas pero con diferente carga. Así 
para cada partícula debería existir su correspondiente 
antipartícula.
 MATERIA Y ANTIMATERIA
En 1932, Carl Anderson, 
halló rastros de "algo con 
carga positiva, y la misma 
masa que el electrón". 
Había detectado a los 
antielectrones, a los que 
nombró positrones. 
Paul Dirac
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1933/
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1933/
Una antipartícula está relacionada con su correspondiente partícula por 
lo que se conoce como “conjugación de carga”, esto incluye no solo la 
carga eléctrica sino todos las propiedades cuánticas, sin afectar masa, 
energía, momento y spin. 
Por ejemplo ¡el positrón es idéntico al electrón pero con carga positiva!
Si una partícula entra en contacto con su antipartícula se da una 
aniquilación mutua. Esto no significa su destrucción, sino una 
transformación que da lugar a la formación de otras partículas de materia 
o de intercambio. 
Se suele utilizar una barra horizontal sobre el símbolo que caracteriza a la antipartícula para 
diferenciarla de las partículas.
 MATERIA Y ANTIMATERIA
Masa, spin, carga, color….
Son propiedades de las partículas cuánticas que 
iremos comprendiendo a medida que avancemos en 
los temas
Haremos ahora un breve comentario sobre ellas para poder empezar 
a construir un vocabulario compartido adecuado para avanzar. No se 
preocupen si los conceptos no quedan claros en este momento, se 
irán comprendiendo a medida que transitemos el Bloque 1.
 ALGUNAS PROPIEDADES CUÁNTICAS
 PROPIEDADES CUÁNTICAS: masa
Cuando se trata de partículas cuánticas se suele expresar la masa de éstas 
en unidades de electronvoltios. 
Si bien no analizaremos en este curso Teoría de la Relatividad, es en el marco 
de esta teoría que se plantea la relación E = m·c² (equivalencia 
masa-energía). Esto da lugar a una unidad de masa correspondiente al eV 
(despejando m de la ecuación) que se denomina eV/c².
El electronvoltio (eV) es una unidad de energía que representa la variación de energía cinética que 
experimenta un electrón al moverse desde un punto de potencial Va hasta un punto de potencial Vb 
cuando la diferencia de potencial del campo eléctrico es de 1 voltio. Equivale a 1,602176565 × 10-19 J.
Por ejemplo, la unidad de masa atómica unificada (u), 1 gramo / número de 
Avogadro, es aproximadamente la masa de un átomo de hidrógeno, que es 
principalmente la masa del protón. 1 u = 931.4941 MeV/c2 
https://es.wikipedia.org/wiki/Unidades_de_energ%C3%ADa
https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica
https://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n
https://es.wikipedia.org/wiki/Campo_el%C3%A9ctrico
https://es.wikipedia.org/wiki/Voltio
 PROPIEDADES CUÁNTICAS: spin
El spin o momento angular intrínseco es 
una propiedad cuántica que presentan 
las partículas elementales, las 
compuestas y los núcleos. 
La existencia de esta propiedad se infiere a 
partir de cómo responden las partículas 
cuánticas a determinadas condiciones 
experimentales (tales como el experimento de 
Stern–Gerlach) en el que si estas partículas 
son sometidas a un campo magnético tienen 
una desviación dicotómica y no continua, 
como resultaría para una partícula clásica.
No hay una representación cotidiana para dar 
cuenta del spin.
Imagen representativa del 
experimento Stern-Gerlach.
Adaptada de Wikipedia
¡Muchos de los conceptos aquí 
mencionados (partícula cuántica o 
clásica por ejemplo) se aclaran con el 
correr de esta clase y las siguientes!
https://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Stern_y_Gerlach
 PROPIEDADES CUÁNTICAS: carga de color, carga eléctrica
Cuando hablamos de carga de color o de carga 
eléctrica, se hace referencia a una propiedad 
relacionada con el modo en que algunas partículas 
interaccionan. 
La carga de color no tiene que ver nada con los 
colores visibles usuales, sino que simplemente son 
una forma de llamar y diferenciar los diferentes tipos 
de una magnitud física asociada a los quarks.
Teoría Estándar
Cada cosa en el universo estaría compuesta por unos pocos ladrillos básicos 
denominados partículas fundamentales. 
Estas partículas estarían gobernadas por cuatro fuerzas fundamentales.
La llamada Teoría Estándar desarrollada en la década del ´70, describe 
cómo estas partículas y tres de estas fuerzas están relacionadas entre sí.
... el Modelo Estándar es, en la historia, la más sofisticada teoría 
matemática sobre la naturaleza. A pesar de la palabra “modelo” en su 
nombre, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica 
las partículas básicas y especifica cómo interactúan. Todo lo que 
pasa en nuestro mundo (excepto los efectos de la gravedad) es 
resultado de las partículas del Modelo Estándar interactuando de 
acuerdo con sus reglas y ecuaciones (p.58). 
Gordon Kane (2003)
 TEORÍA ESTÁNDAR
http://particle-theory.physics.lsa.umich.edu/kane/Kane5p.pdf
Hay dos grandes grupos de partículas que principalmente difieren en su spin 
(o momento angular intrínseco) y por lo tanto en su comportamiento: 
fermiones y bosones
Los fermiones se distinguen de los bosones por tener spin semientero y se 
comportan según el principio de exclusión de Pauli (no pueden existir dos 
fermiones con idéntico estado cuántico de energía). Se clasifican en 
fermiones fundamentales y compuestos. 
Los bosones tienen spin entero y no siguen el principio de exclusión de 
Pauli. También se clasifican en bosones fundamentales y compuestos. 
Según su spin cambia la naturaleza de la distribución de energía en una colección de las 
partículas. Las partículas de spin entero obedecen la estadísticas de Bose-Einstein (de allí su 
nombre de bosones), mientras que las de espín semi-entero se comportan de acuerdo con las 
estadísticas de Fermi-Dirac (de allí su nombre de fermiones). No entraremos en detalle sobre cada 
una de estos comportamientos estadísticos. 
 FERMIONES Y BOSONES
Hay dos tipos de partículas 
elementales de materia: quarks y 
leptones. 
Cada grupo consiste en seis 
partículas, relacionadas en pares. 
A su vez, se subdividen en 
generaciones.
 PARTÍCULAS FUNDAMENTALES DE MATERIA
Fermiones fundamentales
Los seis quarks son llamados: “up” y 
“down”, “charm” y “strange”, “top” y 
“bottom (o beauty)”. 
QUARKS
 FERMIONES FUNDAMENTALES
Los quarks son fermiones y como tales 
están sujetos al principio de exclusión 
de Pauli. Parecería que con ello se 
prohíbe que dos o tres quarks con el 
mismo sabor y el mismo componente 
de spín formen una partícula 
compuesta. Para evitar tal dificultad, se 
postula que cada quark se presenta en 
tres variedades, llamadas colores. Los 
nombres frecuentes son rojo, verde y 
azul. El principio de exclusión se aplica 
por separado a cada color. 
Por supuesto “color es una propiedad de 
los quarks que no tiene relación con la 
idea tradicional de color
 FERMIONES FUNDAMENTALES
Los quarks se clasifican según su “color” 
y se combinan para dar objetos “sin color” 
Cada uno de los seis "sabores" de 
quarks, puede tener tres "colores" 
diferentes (rojo, verde o azul). 
Las fuerzas de unión de los quarks son 
atractivas sólo en combinaciones"incoloras" de tres quarks (bariones), en 
combinaciones de pares quark-antiquark 
(mesones), y posiblemente en 
combinaciones más grandes. 
Los quarks sufren transformaciones por 
el intercambio de los bosones W.
 PARTÍCULAS FUNDAMENTALES DE MATERIA
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/forces/color.html#c2
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Particles/qrkdec.html#c1
Los seis leptones son: “electrón” 
y “electrón neutrino”, el “muón” y 
“muón neutrino”, y “tau” y “tau 
neutrino”. 
El electrón, el muón y el tau 
tienen carga eléctrica y masa 
medible, mientras que los 
neutrinos son eléctricamente 
neutros y tienen muy poca masa. 
 PARTÍCULAS FUNDAMENTALES DE MATERIA
LEPTONES
 
A nivel macroscópico, sabemos que la fuerza electromagnética media la 
interacción entre las partículas con carga eléctrica, y la fuerza gravitatoria 
afecta a las partículas con masa. Las teorías de lo que se conoce como física 
clásica explican las fuerzas como el efecto de un campo sobre la partícula.
El modelo estándar explica las fuerzas como el resultado del 
intercambio de otras partículas por parte de las partículas de materia.
Es decir, se propone que partículas mediadoras, también llamadas 
partículas de fuerza o virtuales, son las responsables de las fuerzas.
 INTERACCIÓN ENTRE PARTÍCULAS FUNDAMENTALES
Estas partículas interaccionan, pero…
¿cómo se da la interacción? 
¿quién “transmite el mensaje” de la fuerza entre las partículas que 
interactúan? 
Las cuatro fuerzas fundamentales propuestas por esta teoría son: 
fuerza fuerte, fuerza débil, fuerza electromagnética, y fuerza gravitacional.
La fuerza gravitacional es la más débil pero tiene alcance infinito. 
La fuerza electromagnética también tiene alcance infinito pero es varias veces 
más fuerte que la gravedad. 
Las fuerzas fuerte y débil sólo son efectivas en un rango muy corto y actúan 
solamente a nivel subatómico. 
La fuerza débil es más fuerte que la gravitatoria pero es más débil que las 
otras tres. 
La fuerza fuerte, es la más intensa de las cuatro interacciones fundamentales.
 FUERZAS FUNDAMENTALES DE INTERACCIÓN
La teoría estándar propone que tres de estas fuerzas resultan del 
intercambio de bosones. 
 FUERZAS FUNDAMENTALES DE INTERACCIÓN
Los bosones que se intercambian en 
las interacciones son: fotones, 
gluones, bosones W y Z (los cuatro 
bosones portadores de fuerza la 
teoría estándar), el bosón de Higgs, 
y el todavía hipotético gravitón.
Las partículas de interacción son 
bosones. 
Las partículas de materia (quarks y 
leptones) transfieren cantidades 
discretas de energía intercambiando 
bosones. 
 PARTÍCULAS FUNDAMENTALES DE INTERACCIÓN
Cada fuerza fundamental tiene su correspondiente bosón.
La fuerza fuerte se da por “intercambio” de gluones, la fuerza 
electromagnética por fotones, y la fuerza débil involucran a los 
bosones W y Z.
El gravitón correspondería a la fuerza gravitatoria, pero aún no fue 
encontrado y permanece como partícula propuesta. 
La Teoría Estándar incluye a las fuerzas electromagnética, fuerte y débil 
ya que explica bien cómo estas fuerzas actúan sobre las partículas de 
materia. Pero no incluye a la fuerza gravitatoria, ya que hasta hoy día no 
ha sido fácil que el marco teórico de este modelo de cuenta de los 
fenómenos gravitatorios. 
 FUERZAS FUNDAMENTALES DE INTERACCIÓN
El fotón es la partícula de intercambio responsable de la fuerza 
electromagnética. Es portadora de todas las formas de radiación electromagnética, 
incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro 
electromagnético), la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio. 
Los gluones son las partículas de intercambio de la fuerza de color entre los 
quarks, de forma análoga al intercambio de fotones en la fuerza electromagnética 
entre dos partículas cargadas. El gluón puede ser considerado como la partícula de 
intercambio fundamental, que subyace en la interacción fuerte entre los 
protones y los neutrones en un núcleo. El intercambio de un gluón genera un 
cambio de color en los quarks.
Las partículas W y Z son las partículas de intercambio de la interacción débil. La 
interacción débil es responsable la transmutación de quarks (cambio de sabor), así 
esta interacción está involucrada en muchos decaimientos de partículas nucleares, 
que implican el cambio de sabor de un quark en otro. El decaimiento beta se explica 
por interacción débil. 
 FOTONES, GLUONES Y BOSONES W Y Z
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/forces/exchg.html#c1
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/forces/funfor.html#c3
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/forces/funfor.html#c3
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/forces/exchg.html#c1
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/forces/color.html#c1
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/forces/funfor.html#c2
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/forces/exchg.html#c1
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/forces/funfor.html#c4
Los hadrones son partículas compuestas por quarks y/o antiquarks que 
permanecen unidos debido a la interacción nuclear fuerte entre ellos. Hay 
dos tipos de hadrones: 
i- los bariones que están compuestos por tres quarks (o antiquarks) con 
cargas de color diferente, se dice que su carga de color global es "neutra" o 
"blanca", al tener las tres cargas de color compensadas entre sí. Ejemplos de 
bariones son los nucleones, esto es, neutrones y protones. Los bariones 
tienen spin semientero. Son fermiones compuestos.
ii- los mesones que están formados por un quark y un antiquark. Un ejemplo 
de mesones son los piones. Los mesones tienen spin entero. Son bosones 
compuestos.
La teoría estándar también propone que las partículas fundamentales pueden 
combinarse.
 PARTÍCULAS COMPUESTAS: HADRONES
https://es.wikipedia.org/wiki/Protones
https://es.wikipedia.org/wiki/Piones
● Los quarks tienen carga eléctrica que se asigna como fraccionaria (+ 2/3e o -1/3e).
● Nunca se detectaron quarks libres, siempre están formando hadrones.
● La suma algebraica de las cargas de los quarks que constituyen un determinado 
hadrón es siempre un múltiplo entero de e. 
● El protón, por ejemplo, está formado por dos quarks de carga (+2/3 e) y un quark de 
carga (-1/3 e) de modo que su carga es (2/3 + 2/3 -l/3) e, o, simplemente, e. 
protón neutrón
 PARTÍCULAS COMPUESTAS: HADRONES
El modelo estándar propone que:
● la materia másica estable conocida está formada por partículas que tienen 
una propiedad intrínseca llamada spin cuyo valor es 1/2. 
● los fermiones constituyen la materia y siguen el principio de exclusión de 
Pauli, esto es lo que da a la materia sus atributos de impenetrabilidad (no 
así los bosones que presentan spin entero)
● las partículas elementales de materia que no poseen estructura interna 
son leptones y quarks
● las partículas que tienen estructura interna se llaman hadrones; están 
constituidas por quarks. Son bariones cuando están formadas por tres 
quarks o tres antiquarks, o mesones cuando están constituidas por un 
quark y un antiquark.
RECORDAR: El electrón es un leptón, mientras que el protón y el neutrón son 
hadrones
 RECAPITULANDO….
https://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli
https://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli
 RECAPITULANDO….
 RECAPITULANDO….
Principio de Exclusión de Pauli 
Fermiones Bosones
Partículas que cumplen
el principio de exclusión 
de Pauli ó partículas con
spin fraccional
Partículas que incumplen
el principio de exclusión 
de Pauli ó partículas con
spin entero
Los leptones y los quarks
tienen spin 1/2
Los bariones formados por
3 quarks (qqq) tienen spin
fraccionales, al ser impar la
suma fraccional de quarks. 
spin de 3/2, 5/2, ...
Todas las partículas portadoras de fuerza son
bosones. Ya que tienen spin 1 (una vez la 
constante de Planck) a excepción del gravitón 
que se espera que tenga spin 2Los mesones formados por un quark y un
antiquark son también bosones. 
Lo visto hasta aquí no es la Teoría Estándar completa, 
es mucho lo que esta teoría aporta que no 
estudiaremos en este curso. 
Los temas seleccionados son los que nos permitirán 
realizar conexiones con el resto de los contenidos de 
la asignatura.
La partícula de Higgs es una partícula elemental (con masa) predicha en el 
modelo estándar. Tiene spin 0, por lo que es un bosón.
El bosón de Higgs desempeña un papel único en el modelo estándar, y un 
papel dominante en explicar los orígenes de la masa de otras partículas 
elementales. 
Hasta el año 2012, ningún experimento había detectado directamente la 
existencia del bosón de Higgs. Finalmente el colisionador de hadrones del 
CERN dio lugar al hallazgo de una partícula compatible con las propiedades 
del bosón de Higgs el 4 de julio de 2012. Pero aún falta ver si ésta nueva 
partícula cumple las características predichas del bosón de Higgs dadas por 
el modelo estándar.
 BONUS TRACK: EL BOSÓN DE HIGGS….
https://es.wikipedia.org/wiki/CERN