Tabla de contenido1.Objetivos22.Planteamiento del problema23.Hiptesis24.Marco terico34.1.Partculas elementales34.1.1.Fermiones34.1.2.Bosones44.2.Fuerzas de la naturaleza54.2.1.Fuerza fuerte54.2.2.Fuerza electromagntica54.2.3.Fuerza dbil54.2.4.Fuerza gravitacional64.3.Cromo-dinmica cuntica64.3.1.Definicin64.3.2.Conservacin de la carga de color74.4.Modelo estndar75.Solucin del problema76.Conclusiones107.Referencias10

1. Objetivos Conocer el modelo estndar de partculas Conocer la clasificacin de las partculas en el ME Conocer las interacciones de las partculas en el ME2. Planteamiento del problemaRoberto es un estudiante de la UNI; l est llevando el curso de fsica moderna. Un da, durante la clase oye al profesor decir y como ustedes saben los tomos estn formados por protones, neutrones y electrones - . A esto Roberto interviene profesor, entonces esas tres partculas constituyen todo lo que existe? eso no es totalmente cierto, lo explicar luego Bueno, como deca contina el profesor el ncleo est formado por protones y neutrones. Roberto an sigue pensando.Los protones tienen carga +1 y los electrones, -1 agrega el profesor. Roberto sabe que los protones estn condensados en el ncleo, junto a los neutrones. Sin embargo, l conoce por el curso de fsica II, previo a fsica moderna, que las cargas de igual valor se repelen. Entonces si los protones tienen igual carga deberan salir despedidos, alejndose unos de otros.Intenta hacer unos clculos para entender las fuerzas involucradas en el fenmeno:

?

l encontr en Internet que los dimetros de los protones estn en el orden de los attmetros (). Se da cuenta que elevado al cuadrado, el denominador tendera a cero, con lo que la fuerza resultara muy grande, por ser inversamente proporcional. Entonces, cmo es que existen los tomos? Existe una teora que explique esta fuerza que mantiene unido al ncleo del tomo?, y si existe, cmo lo explica?3. Hiptesis Existen partculas ms elementales que los protones, neutrones y electrones. Existe un modelo que permite describir las interacciones entre las partculas elementales. Las partculas elementales son las que constituyen todo lo existente y no los protones, neutrones y electrones.4. Marco tericoA partir de aproximadamente 1945 se descubrieron muchas partculas en experimentos que involucraban colisiones a alta energa. Estas partculas son bastante inestables y sus vidas media son muy breves. A la fecha se han catalogado ms de 400 de estas partculas.4.1. Partculas elementalesPuede decirse que el modelo sencillo del tomo que consideraba al electrn, protn y neutrn como sus partculas elementales, tuvo validez en el primer tercio del siglo XX. En el segundo tercio, la profusin de nuevas partculas que se incorporaban a las ya conocidas result casi alarmante. El fsico finlands Roos confeccion el primer catlogo de partculas en 1963 con cerca de cuarenta identificadas, y en los aos setenta y ochenta se catalogaron varios cientos de ellas, clasificndolas bajo distintos criterios. No obstante, los principales responden al tipo de interaccin que les afecta y al valor de su espn.Segn el modelo estndar las particulas elementales son las siguientes:

Quarks

Leptones

Bosones

4.1.1. FermionesEs uno de los dos tipos bsicos de partculas que existen en la naturaleza (el otro tipo son losbosones). Los fermiones se caracterizan por tenerespnsemi-entero (1/2, 3/2,...). En elmodelo estndarexisten dos tipos de fermiones fundamentales, losquarksy losleptones. En elmodelo estndar de fsica de partculaslos fermiones se consideran los constituyentes bsicos de la materia, que interactan entre ellos vabosonesdegauge.4.1.1.1. QuarksEnfsica de partculas, loscuarksoquarks, junto con losleptones, son los constituyentes fundamentales de lamateria. Variasespeciesde quarks se combinan de manera especfica para formar partculas tales comoprotonesyneutrones.Losquarksson las nicas partculas fundamentales que interactan con las cuatrofuerzas fundamentales. Son partculas deespn1/2, por lo que sonfermiones. Forman, junto a los leptones, la materia visible.Hay seis tipos distintos de quarks que los fsicos de partculas han denominado de la siguiente manera: up(arriba) down(abajo) charm(encanto) strange(extrao) top(cima)y bottom(fondo).Fueron nombrados arbitrariamente basados en la necesidad de nombrarlos de una manera fcil de recordar y usar, adems de los correspondientesantiquarks. Las variedades extraa, encanto, fondo y cima son muy inestables y se desintegraron en una fraccin de segundo despus delBig Bang, pero los fsicos de partculas pueden recrearlos y estudiarlos. Las variedades arriba y abajo s se mantienen, y se distinguen entre otras cosas por su carga elctrica.En la naturaleza no se encuentran quarks aislados. Estos siempre se encuentran en grupos, llamados hadrones, de dos o tres quarks, conocidos como mesones y bariones respectivamente. Esto es una consecuencia directa del confinamiento del color.4.1.1.2. LeptonesUnleptnes una partcula conespn-1/2 en el caso de los neutrinos y +/- 1/2 en los dems leptones (un fermin) que no experimentainteraccin fuerte. Los leptones forman parte de una familia departculas elementales conocida como la familia de los fermiones, al igual que losquarks.Un leptn es unferminfundamental sin cargahadrnicao de color. Existen seis leptones y sus correspondientes antipartculas: elelectrn, elmuon, eltauy tresneutrinosasociados a cada uno de ellos.

4.1.2. BosonesEnfsica de partculas, unbosno boso, es uno de los dos tipos bsicos departculas elementalesde la naturaleza (el otro tipo son los fermiones). La denominacin bosn fue dada en honor al fsico indioSatyendra Nath Bose. Se caracterizan por: Tener unespnentero (0,1,2,...). No cumplen elprincipio de exclusin de Pauliy siguen laestadstica de Bose-Einstein. Esto hace que presenten un fenmeno llamadocondensacin de Bose-Einstein(el desarrollo demseresylseresfue posible puesto que losfotonesde la luz son bosones). Lafuncin de ondacuntica que describe sistemas de bosones es simtrica respecto al intercambio de partculas.Por elteorema espn-estadsticasabemos que la segunda y tercera caracterstica son consecuencia necesaria de la primera.Algunos bosones, aunque se comportan como bosones, de hecho estn compuestos de otras partculas. Por ejemplo, los ncleos de tomos de helio, bajo ciertas condiciones, se comportan como bosones aun cuando estn compuestos por cuatro fermiones que, a su vez, no son elementales cuando son examinados en experimentos de muy alta energa.

4.2. Fuerzas de la naturalezaA lo largo de la historia de la humanidad, en el campo de la fsica, el hombre ha ido descubriendo diversas fuerzas que interactan con la materia, unas muy comunes y enigmticas, y otras algo ms exticas pero ms claras.

4.2.1. Fuerza fuerteActa sobre los componentes de los ncleos atmicos atrayndolos para que ste no pueda descompensarse por la intensa fuerza electromagntica de repulsin a la que se ven sometidos los protones (cargas positivas).Recordar que los protones se repelen como consecuencia de la fuerza electromagntica. Como consecuencia de ello, la fuerza con ms intensidad de las 4 es la nuclear fuerte, siendo su alcance tambin del orden subatmico.4.2.2. Fuerza electromagnticaProduce atraccin entre partculas, como la "atraccin gravitatoria", pero tambin repulsin debido a la existencia de cargas elctricas positivas y negativas.Hasta la 1 mitad del s. XIX se consideraban 2 fuerzas distintas e independientes: la elctrica y la magntica. Tras los estudios y trabajos de cientficos como Oersted, Faraday, Maxwell y muchos otros, se consigui la unificacin.No afecta a todos los cuerpos como la gravedad, pues los hay con carga neutra.4.2.3. Fuerza dbilActa en distancias realmente nfimas, las distancias subatmicas. Descubierta en el s. XX, se diferencia de la gravitatoria y la electromagntica en que su alcance no es infinito sino muy reducido, pero comparativamente posee una intensidad muy superior a ellas.Hace su aparicin en la desintegracin Beta () de algunos compuestos radioactivos. En las ltimas dcadas del pasado milenio se demostr, en el marco de la mecnica cuntica, que las fuerzas electromagnticas y la nuclear dbil son dos manifestaciones de una sola fuerza: la fuerza electrodbil, con lo que realmente podramos afirmar que no hay 4 sino de momento 3 fuerzas fundamentales.Para entender este concepto es preciso recordar que los ncleos atmicos estn constituidos de protones y neutrones. De paso aadiremos que los protones y los neutrones estn constituidos por 3 quarks.4.2.4. Fuerza gravitacionalDescubierta por Isaac Newton en el s. XVII y conocida por todos como "atraccin gravitatoria" o simplemente "gravedad".Fue la primera en ser descubierta y sufrimos sus efectos diariamente: al levantarnos de la cama, al caminar, cuando se nos caen las cosas de las manos, cuando llueve, Su campo de trabajo es amplsimo, pues no se salva nada de cuanto existe. Los siguientes ejemplos estn firmados por esta fuerza: El movimiento de la Luna alrededor de la Tierra. El movimiento de los planetas alrededor del Sol. El movimiento del cometa Halley en el sistema solar. El cinturn de asteroides. Los meteoritos que atrae la Tierra. La velocidad a la que deben escapar los cohetes y las sondas espaciales de la Tierra. El equilibrio al que estn sometidos los satlites de comunicaciones para no caer sobre la Tierra.Todo, absolutamente todo est afectado por la fuerza de gravedad, incluso la luz, y esto se pudo mostrar una vez en un eclipse solar donde se poda observar a dos estrellas que estaban justo detrs del sol pues la luz se curv por accin de la fuerza de gravedad que ejerca el sol.Cabe recalcar que todo cuerpo que tiene masa ejerce fuerza gravitatoria frente a otro cuerpo.

4.3. Cromo-dinmica cuntica4.3.1. DefinicinLa Cromo - dinmica Cuntica (QCD) es la teora que explica la interaccin fuerte y, ms en concreto, la interaccin entre los quarks para formar todas las partculas que interaccionan fuertemente (hadrones), ya sean mesones donde interaccionan quark y antiquark, qq, o bariones donde interaccionan tres quarks, qqq.La estructura de esa teora guarda relacin con la electrodinmica cuntica (QED). Las interacciones electromagnticas no diferencian partculas que tengan la misma carga elctrica. As, un electrn es un antiprotn ambos negativos pareceran ser la misma partcula desde el punto de vista de un fotn, si no fuese por su diferencia de masa entre ambas partculas.En la colisin entre protones y antiprotones en aceleradores, varios quarks son creados y se materializan en la forma de decenas de variedades de mesones, la mayora piones. As se vuelve imposible aislar quarks o gluones, pues ellos son confinados en mesones o bariones.4.3.2. Conservacin de la carga de colorEste principio establece que ante cualquier cambio de colores dentro de un barin o mesn, la combinacin resultante siempre debe ser neutra, esto quiere decir que en un mesn quedar siempre un par quark antiquark, y en un barin quedar siempre un trio rojo, azul y verde o antirrojo, antiazul y antiverde.

4.4. Modelo estndar

5. Solucin del problemaComo ya se ha visto, la fuerza que experimentan los protones y neutrones en el ncleo es del tipo fuerte. Adems la cromo dinmica cuntica explica que los quarks poseen un color, y que en combinacin generan un color neutro.As pues, el modelo estndar establece la estructura de las partculas atmicas neutrn y protn de la siguiente manera:

Entonces la carga total de los bariones se calcula en la siguiente tabla:BarinQuarks componentesCarga elctricaCarga total

Neutrnu+2/30

d-1/3

d-1/3

Protnu+2/3+1

u+2/3

d-1/3

La fuerza fuerte acta entre quarks. Al contrario de las otras fuerzas esta no disminuye con la distancia, al contrario, aumenta. Esto es conocido como confinamiento de color. El modelo explica que es tanta la cantidad de energa que se generan partculas virtuales (par quark-antiquark) que permiten trasladarla.Ests partculas residuales trasladan lo que se conoce como fuerza fuerte residualLos quarks intercambian gluones que mantienen unido al barin.ududdupn

As hacen que los quarks cambien de color pero manteniendo la neutralidad en el color del barin:ududdupn

En algn momento el gluon no alcanza al quark y se descompe en un par quark antiquark ududdupn

ududdupndd

Un quark del par se enlaza para formar el protn de nuevo, y el antiquark se enlaza con el quark restante (forman un pin neutro), y se trasladan hacia el neutrn:ududdupndd

ududdupndd

El par quark antiquark se descompone generando un glun, que a su vez une el quark proveniente del protn. As se reconstituyen los bariones iniciales, y el intercambio de pares quark antiquark permite que los bariones permanezcan unidos.ududupnd

ududdupn

6. Conclusiones Los protones, neutrones y electrones no son partculas elementales. La materia se constituye de quarks y leptones. Las fuerzas son transmitidas por el intercambio de partculas de fuerza (bosones) La fuerza fuerte residual (intercambio de piones) es la causante de la unin de neutrones y protones en el ncleo atmico.

7. Referencias Raymond A. Serway et al. FISICA MODERNA Quark - http://es.wikipedia.org/wiki/Quark Lepton - http://es.wikipedia.org/wiki/Lept%C3%B3n Bosn - http://es.wikipedia.org/wiki/Bos%C3%B3n Interaccin nuclear fuerte - http://es.wikipedia.org/wiki/Interacci%C3%B3n_nuclear_fuerte