A Summary of Particle Physics

The Subatomic World

Particles Prior to Accelerators

By the mid 1930s, the understanding of the fundamental structure of matter seemed almost complete. Decades before, Rutherford had shown that atoms have relatively tiny but massive nuclei. The quantum theory had made sense of atomic spectra and electron orbitals. The discovery of the neutron had explained nuclear isotopes. So protons, neutrons, and electrons provided the building blocks of all matter. Some puzzles remained, however:
What holds the protons and neutrons together to form the nucleus?
What are the forces involved in the radioactive decays of nuclei that make alpha, beta, and gamma rays?

Enter the Accelerator

To study the nucleus and the interactions of neutrons and protons that form it, physicists needed a tool that could probe within the tiny nucleus, as earlier scattering experiments had probed within the atom. The accelerator is a tool that allows physicists to resolve very small structures by producing particles with very high momentum and thus short wavelength. The wavelength () of the associated wave is inversely proportional to the momentum (p) of the particle (= h/p), where h = Planck’s constant.

Particle experiments study collisions of high energy particles produced at accelerators. In modern experiments, large multi-layered detectors surround the collision point. Each layer of the detector serves a separate function in tracking and identifying each of the many particles that may be produced in a single collision.

The Particle Explosion

To the surprise of the physicists, accelerator experiments revealed that the world of particles was very rich; many more particle types similar to protons and neutrons (called baryons) – and a whole new family of particles called mesons – were discovered. By the early 1960s a hundred or so types of particles had been identified, and physicists still had no complete understanding of the fundamental forces.

The Quark Proposal

In 1964, two physicists – Murray Gell-Mann and George Zweig – independently hit upon the idea that neutrons and protons and all those new particles could be explained by a few types of yet smaller objects; Gell-Mann called them quarks. They could explain all the observed baryons and mesons with just three types of quarks (now called up, down, and strange) and their antiquarks. The revolutionary part of their idea was that they had to assign the quarks electric charges of 2/3 and -1/3 in units of the proton charge; such charges had never been observed!

Antiquarks are the antimatter partners of quarks; they have the same masses as, but the opposite charge from, the corresponding quarks. When a quark meets an antiquark, they may annihilate, disappearing to give some other form of energy.

The Standard Model

Nearly thirty years and many experiments later, the quark idea has been confirmed. It is now part of the Standard Model of Fundamental Particles and Interactions. New discoveries have shown that there are six types of quarks (given the odd names of up, down, strange, charm, bottom, and top, in order of increasing mass). Also, there are six types of particles including the electron, called leptons. The Standard Model accounts for the strong, weak, and electromagnetic interactions of the quarks and leptons, and thus explains the patterns of nuclear binding and decays.

The Particles Made from Quarks

The reason that fractional electric charges like those of quarks have not been seen is that the quarks are never found separately, but only inside composite particles called hadrons. There are two classes of hadrons: baryons, which contain three quarks, and mesons, which contain one quark and one antiquark. The sample hadron tables on the Standard Model chart give a few examples of the many known particles. Particles made from the first five quark types have been produced and studied at accelerators. The top quark is so massive it took many years and very high-energy accelerators to produce it. The top quark was finally discovered in April 1995 at Fermilab.

The Leptons

In contrast to the quarks, any of the six leptons may by found by itself. The electron is the best known lepton. Two other charged leptons, the muon, (discovered in 1936) and the tau (discovered in 1975) differ from the electron only in that they are more massive than it.

The other three leptons are very elusive particles called neutrinos, which have no electric charge and very little, if any, mass. There is one type of neutrino corresponding to each type of electrically charged lepton. For each of the six leptons there is an antilepton with equal mass and opposite charge.

Forces and Interactions

Now we know the building blocks of matter, but we must also ask: What holds it together? All forces are due to the underlying interactions of the particles. Interactions come in four types: gravitational, electromagnetic, strong, and weak. Gravity is perhaps the most familiar force to us, but it is not included in the Standard Model because its effects are tiny in particle processes and, furthermore, physicists have not yet figured out how to include it.

Electromagnetic forces are also familiar; they are responsible for binding the electrons to the nucleus to form electrically-neutral atoms. Atoms combine to form molecules or crystals because of electromagnetic effects due to their charged substructure. Most everyday forces, such as the support of the floor or friction, are due to the electromagnetic forces in matter that resist displacement of atoms or electrons from their equilibrium positions in the material.

In particle processes the forces are described as due to the exchange of particles; for each type of force there is an associated carrier particle. The carrier particle of the electromagnetic force is the photon; gamma ray is the name given a photon from a nuclear transition.

For distances much larger than the size of an atomic nucleus, the remaining two forces have only tiny effects — so we never notice them in everyday life. But we depend on them for the existence of all the stuff from which the world is made, and for the decay processes that make some types of matter unstable.

The strong force holds quarks together to form hadrons; its carrier particles are whimsically called gluons because they so successfully “glue” the quarks together. The binding of protons and neutrons to form nuclei is a residual strong interaction effect due to their strongly-interacting quark and gluon constituents. Leptons have no strong interactions.

Weak interactions are the only processes in which a quark can change to another type of quark, or a lepton to another lepton. They are responsible for the fact that all the more massive quarks and leptons decay to produce lighter quarks and leptons. That is why stable matter around us contains only electrons and the lightest two quark types (up and down). The carrier particles of weak interactions are the W and Z bosons. Beta decay of nuclei was the first observed weak process: in a nucleus where there is sufficient energy a neutron becomes a proton and gives off an electron and an antielectron neutrino. This decay changes the atomic number of the nucleus. Beta ray is the name given to the emerging electron.

So now we have explained beta and gamma rays; what about the alpha? The alpha particle is a helium nucleus – one of the products of a nuclear fission. Fission is the breakup of a massive nucleus into smaller nuclei; this occurs when the sum of the masses of the smaller nuclei is less than the mass of the parent nucleus. This is a residual strong interaction effect.

What Questions Remain?

The Standard Model answers many of the questions of the structure and stability of matter with its six types of quarks, six of leptons, and the four force types.

But the Standard Model leaves many other questions unanswered: Why are there three types of quarks and leptons of each charge? Is there some pattern to their masses? Are there more types of particles and forces to be discovered at yet higher-energy accelerators? Are the quarks and leptons really fundamental, or do they, too, have substructure? How can the gravitational interactions be included? What particles form the dark matter in the universe?

Questions such as these drive particle physicists to build and operate new accelerators, so that higher-energy collisions can provide clues to their answers.




El Mundo Subatómico

Partículas anteriores a los aceleradores

A mediados de la década del 30, la comprensión de la estructura fundamental de la materia parecía ser casi completa. Décadas antes, Rutherford había mostrado que los átomos tienen un núcleo, relativamente diminuto pero masivo. La teoría cuántica había dado sentido a los espectros y a los orbitales atómicos. El descubrimiento del neutrón había explicado la existencia de isótopos nucleares. Es decir, los protones, los neutrones, y los electrones eran los bloques constitutivos de toda la materia. Sin embargo, aún restaba resolver algunos enigmas.
¿Qué mantiene juntos a los protones y los neutrones para formar el núcleo?
¿Cuáles son las fuerzas involucradas en los decaimientos radioactivos de los núcleos, en los que se producen los rayos alfa, beta y gama?

La llegada del acelerador

Para estudiar el núcleo y las interacciones de los neutrones y protones que lo forman, los físicos necesitaron una herramienta que fuera capaz de penetrar en el interior del diminuto núcleo, del mismo modo en que los experimentos de dispersión, habían penetrado en el interior de los átomos. El acelerador es una herramienta que les permite a los físicos, descomponer estructuras muy pequeñas, produciendo partículas con ímpetu muy alto y, por lo tanto, de longitud de onda corta . La longitud de onda () de la onda asociada a una partícula es inversamente proporcional al ímpetu (p) de la partícula (= h/p), donde h = constante de Planck.

Los experimentos de partículas estudian las colisiones entre partículas de alta energía, producidas en aceleradores. En los experimentos modernos, el punto de colisión está rodeado por grandes detectores multi-capa. Cada capa del detector tiene una función específica, rastreando e identificando cada una de las muchas partículas que se pueden producir en una sola colisión.

La explosión de las partículas

Para sorpresa de los físicos, los experimentos con aceleradores revelaron que el mundo de las partículas era mucho más rico de lo que creían; fueron descubiertos muchos más tipos de partículas, similares a los protones y neutrones, (llamados bariones) y toda una nueva familia de partículas llamadas mesones. A comienzos de la década del 60, fueron identificados unos cien tipos de partículas, y los físicos aún no podían comprender en forma completa, las fuerzas fundamentales.

La propuesta del quark

En 1964, dos físicos – Murray Gell-Mann y George Zweig – independientemente, dieron con la idea que los neutrones , los protones, y todas las nuevas partículas podrían ser explicadas a partir de unos pocos tipos de objetos aún más pequeños; Gell-Mann los llamó quarks; y por medio de los quarks ellos pudieron explicar todos los bariones y mesones observados utilizando sólo quarks de tres tipos (los ahora llamados up (arriba), down (abajo), y strange (extraño)), junto con sus correspondientes antiquarks. Lo revolucionario de su idea fue que debieron asignar a los quarks cargas eléctricas de 2/3 y -1/3, en unidades de la carga del protón; cargas como éstas nunca habían sido observadas!

Los antiquarks son los compañeros de antimateria de los quarks; tienen la misma masa, pero su carga es opuesta a la del correspondiente quark. Cuando un quark se topa con un antiquark, ambos pueden aniquilarse , desapareciendo, para dar algún otro tipo de energía.

El Modelo Standard

Cerca de treinta años más tarde, y después de muchos experimentos, la idea del quark ha sido confirmada. Ahora forma parte del Modelo Standard de las Partículas e Interacciones Fundamentales. Los nuevos descubrimientos han mostrado que hay seis tipos de quark (que fueron llamados up (arriba), down (abajo), strange (extraño), charm (encanto), bottom (fondo), y top (cumbre), en orden creciente de masa). También existen seis tipos de partículas, incluyendo el electrón, llamadas leptones. El Modelo Standard tiene en cuenta las interacciones fuertes, débiles, y electromagnéticas de los quarks y leptones, y explica el patrón seguido por las uniones nucleares y por los decaimientos.

Partículas compuestas de quarks

La razón por la cual nunca han sido observadas cargas eléctricas fraccionarias, como las de los quarks, es que los quarks nunca han sido encontrados separados, sino sólo formando parte de partículas compuestas llamadas hadrones. Hay dos clases de hadrones: bariones, que contienen tres quarks, y mesones, que contiene un quark y un antiquark. La tabla de ejemplos de hadrones, mostradas en la tabla del Modelo Standard, brinda unos pocos ejemplos de las muchas partículas conocidas. Las partículas hechas con los primeros cinco tipos de quark, han sido producidas y estudiadas en los aceleradores. El quark top es tan masivo que, para producirlo, se necesitaron muchos años y aceleradores de muy alta energía. Fue finalmente descubierto en abril de 1995 en el Fermilab.

Los leptones

En contraste con los quarks, cualquiera de los seis leptones pueden encontrarse solos. El electrón es el leptón más conocido. Otros dos leptones cargados, el muón, (descubierto en 1936) y la partícula tau (descubierta en 1975), difieren del electrón sólo en que son más masivos que éste.

Los otros tres leptones son partículas muy huidizas llamadas neutrinos, que no tienen carga eléctrica, y muy poca masa, si es que tienen masa alguna. Hay un tipo de neutrino para cada tipo de leptón cargado eléctricamente. Para cada uno de los seis leptones hay, además, un antileptón, que tiene igual masa y carga opuesta.

Fuerzas e interacciones

Ahora ya conocemos los bloques constitutivos de la materia, pero aún debemos preguntarnos: ¿qué la mantiene unida? Todas las fuerzas son debidas a las interacciones entre las partículas. Las interacciones son de cuatro tipos: gravitacionales, electromagnéticas, fuertes, y débiles. La gravedad es tal vez la fuerza más familiar para nosotros, pero no está incluída en el Modelo Standard, porque sus efectos son despreciables en los procesos entre partículas fundamentales y, además, porque los físicos aún no han resuelto el problema de cómo incluirla.

Las fuerzas electromagnéticas también son familiares; son las responsables de ligar los electrones el núcleo, para formar átomos eléctricamente neutros. Los átomos se combinan entre sí para formar moléculas o cristales, a causa de efectos electromagnéticos producidos por su subestructura cargada. La mayoría de las fuerzas cotidianas, como el soporte que nos brinda el suelo, o la fricción, son debidas a las fuerzas electromagnéticas, de la materia que se resiste al desplazamiento de sus átomos o electrones, de sus posiciones de equilibrio en el material.

En los procesos entre partículas, se describen las fuerzas como si fueran producidas por el intercambio de otras partículas “mediadoras”; para cada tipo de fuerza hay una partícula mediadora asociada. La partícula mediadora de la fuerza electromagnética es el fotón; el fotón producido en una transición nuclear se llama rayo gama. 

Para distancias mucho mayores que el tamaño de un núcleo atómico, las restantes dos fuerzas tienen sólo un efecto despreciable — por eso nosotros nunca las notamos en la vida cotidiana. Sin embargo dependemos de ellas para la existencia de todo la materia con la que está hecho el mundo, y también para los procesos de decaimiento, por los cuales se hacen inestables algunos tipos de materia.

La fuerza fuerte mantiene unidos a los quarks entre sí, formando hadrones; sus partículas mediadoras se llaman, caprichosamente, gluones porque “pegan (en inglés glue=goma de pegar)” exitosamente los quarks entre sí. La unión de los protones y los neutrones para formar los núcleos es un efecto residual de la interacción fuerte entre sus constituyentes: los quarks y los gluones. Los leptones no intervienen en las interacciones fuertes.

Las interacciones débiles son las únicas mediante las cuales un quark se convierte en otro quark, de otro tipo, o bien un leptón se convierte en otro leptón. Son las responsables del hecho que todos los quarks y leptones más masivos, decaen para producir quarks y leptones más livianos. Esta es la razón por la cual la materia estable que nos rodea contiene sólo electrones y los dos tipos de quark más livianos (up (arriba) y down (abajo)). Las partículas mediadoras de las interacciones débiles son los bosones W y Z. El decaimiento beta de los núcleos fue el primer proceso débil observado: en un núcleo, en el que haya suficiente energía, un neutrón se convierte en un protón y despide un electrón y un neutrino de antielectrón. Este decaimiento modifica el número atómico del núcleo. El nombre dado al electrón emergente es rayo beta.

Ya hemos explicado los rayos beta y gama; ¿qué hay de los rayos alfa? La partícula alfa es un núcleo de helio – uno de los productos de una fisión nuclear. La fisión es la ruptura de un núcleo masivo, para formar núcleos más pequeños; ocurre cuando la suma de las masas de los núcleos pequeños es menor que la masa del núcleo del cual provienen. y es un efecto residual de la interacción fuerte.

¿Cuáles preguntas resta responder?

El Modelo Standard responde muchas de las preguntas sobre la estructura y estabilidad de la materia, mediante sus seis tipos de quarks, sus seis tipos de leptones, y sus cuatro tipos de fuerza.

Pero el Modelo Standard deja muchas otras preguntas sin contestar: ¿Por qué hay tres tipos de quarks y leptones de cada carga? ¿Hay algún patrón para sus masas? ¿Existen más tipos de partículas y fuerzas, a ser descubiertas en aceleradores de energía aún mayor? ¿Son los quarks y los leptones realmente fundamentales; o ellos mismos tienen también una subestructura? ¿Cómo pueden incluirse las interacciones gravitacionales? ¿Qué partículas forman la materia oscura del universo?

Preguntas como éstas impulsan a los físicos de partículas a construir y operar nuevos aceleradores, para que las colisiones de más alta energía obtenidas en ellos, puedan proporcionar pistas acerca de las respuestas.