PARTÍCULASPARTÍCULASe e

INTERACCIONESINTERACCIONES

Hipótesis: Hipótesis: La materia está constituida La materia está constituida

por “partículas discretas” por “partículas discretas” indivisibles, inmutables y indivisibles, inmutables y eternas eternas que dependiendo que dependiendo del número y disposición del número y disposición relativa, pueden dar lugar relativa, pueden dar lugar a estructuras mayoresa estructuras mayores

Leucipo y DemócritoDalton

EELL

IINNIICCIIOO

10 –6 sec 10 –4 sec 3 min 15 billones de años

PlasmaQuark-Gluón Nucleones Núcleos Átomos

Universo

Experimento

Big Bang

A medida que se incursiona en el micromundo, cada vez más se percibe A medida que se incursiona en el micromundo, cada vez más se percibe como fue el Universo en sus primeros momentos.como fue el Universo en sus primeros momentos.

Hay un momento en que confluyen el micromundo y el macromundo .Hay un momento en que confluyen el micromundo y el macromundo .

Microcosmos y Microcosmos y macrocosmos…macrocosmos…

…mundos independientes relacionados …mundos independientes relacionados

MATERIAMATERIA

Macroscópico:

Biomoléculas, organelos,

células, tejidos, órganos,

sistemas

Representaciones:

Símbolos, fórmulas, ecuaciones, cálculos

Mic

rosc

ópic

a:

Qua

rks,

ele

ctro

nes,

pro

tone

s,

núcl

eos,

áto

mos

, mol

écul

as,

PUNTOS DE VISTAPUNTOS DE VISTA

DEL MICROMUNDO AL MACROMUNDODEL MICROMUNDO AL MACROMUNDOLa cinta métrica de la MateriaLa cinta métrica de la Materia

AcceleradoresAcceleradores MicroscopiosMicroscopios TelescopiosTelescopiosBinocularesBinoculares

DEL MICROMUNDO AL MACROMUNDODEL MICROMUNDO AL MACROMUNDOLa cinta métrica de la MateriaLa cinta métrica de la Materia

Todo lo que existe es materia

La materia es masa y energía

M A S AM A S A

Masa es la cantidad de materia que posee un objeto (cuerpo material)

La masa de un objeto es una cantidad invariable e independiente de la posición

del objeto.

Toda masa ocupa un volumen

A la relación masa /volumen se le conoce como densidad

La masa de un objeto se puede medir y comparar con otras masas en una balanza.

3/2 kT = mc2  >>>> T = (2/3 mc2/k) For a particle with mass of a proton,

temperature exceeds 1013 K !!!

Comparación de masa entre Marte y la Tierra

E N E R G Í AE N E R G Í A

El hombre no vaciló en abrir la materia….

penetrar en un mundo fascinante de partículas…

y liberar su energía latente

Reveladores de partículas…Reveladores de partículas…

CONTADORES GEIGERCONTADORES GEIGER : : Lo invisible hace ruidoLo invisible hace ruidoPartículas arrancan electrones, electrones acelerados en cascada, Partículas arrancan electrones, electrones acelerados en cascada, “ruido”.“ruido”.

CÁMARAS DE BURBUJASCÁMARAS DE BURBUJAS : : Rastros de lo invisibleRastros de lo invisibleSustancia “inestable”, partículas cargadas que perturban, formación Sustancia “inestable”, partículas cargadas que perturban, formación de trazos macroscópicosde trazos macroscópicos

DETECTORES RADIOQUÍMICOS: Contando átomosDETECTORES RADIOQUÍMICOS: Contando átomosPartícula modifica átomo, nuevos átomos formados son contados.

DETECTORES CERENKOV: Una piscina para lo invisible: DETECTORES CERENKOV: Una piscina para lo invisible: partícula produce eléctrones veloces, electrones emiten luz cerenkov, luz es registrada y rastreada

¿Cómo ver lo invisible?¿Cómo ver lo invisible?

OBSERVANDO LO OBSERVANDO LO INVISIBLEINVISIBLE

(E(E l LHC y sus detectores)l LHC y sus detectores)

Sin duda cambiará nuestra visión del Universo.

FERMI LABFERMI LAB

PARTÍCULAS SUBATÓMICASPARTÍCULAS SUBATÓMICAS

Un panorama general sobre las partículas que constituyen las sustancias materiales presupone la existencia de dos tipos:

1. BOSONES De Unión o Pegantes cuantizados…

Portadoras de fuerza Virtuales… sólo existen en movimiento Dejan de existir en el reposo Partículas de espín entero (0, 1, 2...)

responsables de transmitir las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

No están obligadas a cumplir el principio de exclusión de Pauli

Partículas FundamentalesPartículas Fundamentales

2. FERMIONES De consistencia o

Materiales Reales… existen tanto en

movimiento como en reposo

Partículas de espín semientero (1/2, 3/2) obligadas a cumplir el principio de exclusión de Pauli

1. BOSONES1. Fotones (γ)

2. W-ones, Z-ones (W± y Z0)

3. Gluones (g)

4. Gravitones (?)

Partículas FundamentalesPartículas Fundamentales

2. FERMIONES

3. Electrón (e-)4. Muón (µ-)5. Tauón (τ-)6. Neutrinos (v)7. Quarks

BOSONESBOSONESFotón (γ)

Clasificación

Partícula elementalResponsable de la

Fuerza Electromagnética

PropiedadesMasa: Nula

Carga eléctrica: Neutra

Carga de color: Neutra

Spin:Vida media: Estable

Antipartícula: Ella misma

 Interacciona con: − − − −

Fotones emitidos en un rayo coeherente por un láser

BOSONESBOSONESW-ones y Z-ones (W± y Z0)

Cambian el sabor de fermiones durante el decaimiento o desintegración beta.

ClasificaciónPartículas elementales

Responsables de la Interacción Nuclear Débil

Propiedades

Masa:W±: 80,425 (38) GeV/c2

Z0: 91,1876 (21) GeV/c2

Carga eléctrica:W±: ±1 eZ0: Neutra

Carga de color: Neutra

Spin:

Vida media: ~10−25 s

Antipartícula:W+: Bosón W−

Z0: Ella misma

Interacciona con: Gravedad y Electromagnetismo

Uno de los procesos más importantes en los que

intervienen los bosones W es la desintegración beta, en la que un neutrón se 'convierte'

en un protón:

Uno de los procesos más importantes en los que

intervienen los bosones W es la desintegración beta, en la que un neutrón se 'convierte'

en un protón:

Cambio de sabor: Cuando un fermión se converte en

uno más ligero (se desintegra o decae),

BOSONESBOSONESGluón (g)

ClasificaciónPartícula elemental

Bosón de gauge

Responsable de la Interacción Nuclear Fuerte

Propiedades

Masa: Nula

Carga eléctrica: Neutra

Carga de color: Color-anticolorSpin:

Vida media: Estable

Antipartícula: Ella misma

Interacciona con: Interacción fuerte

Poseen carga de color y unen a los quarks (fermiones) creando un

campo de color con estructura en forma de cuerda con inmensa fuerza.

Si se intenta separar un par de quarks, el campo de color tira de ellos con mucha más fuerza; es como si los quarks estuvieran unidos por un "

muelle gluónico" que intenta volver a su longitud inicial.

BOSONESBOSONESGravitónGravitón Se especula con la existencia Se especula con la existencia una partícula transmisora de la una partícula transmisora de la

interacción gravitatoriainteracción gravitatoria en la mayoría de los modelos de gravedad cuántica. en la mayoría de los modelos de gravedad cuántica.

De acuerdo con las propiedades del campo gravitatorio:De acuerdo con las propiedades del campo gravitatorio:

– espínespín par (2 en este caso), ya que está asociado a un campo clásico par (2 en este caso), ya que está asociado a un campo clásico tensorial de segundo orden.tensorial de segundo orden.

– masamasa las mediciones experimentales dan una cota superior del orden de las mediciones experimentales dan una cota superior del orden de mmgg = 1.6X10 = 1.6X10-66-66g, aunque podría ser exactamente cero.g, aunque podría ser exactamente cero.

FUERZAS DE INTERACCIÓNFUERZAS DE INTERACCIÓN

El gluón genérico de arriba representa los ocho tipos que unen entre sí a los quarks. Portadores de la fuerza fuerte, los gluones unen también neutrones y protones

para formar núcleos atómicos.

Los bosones de vector intermedio aparecen en tres tipos distintos. Todos ellos son transportadores de la

fuerza débil, que actúa sobre ciertos tipos de partículas susceptibles de descomposición.

El hipotético gravitón. Se cree que son los causantes del tirón de la gravedad entre todas las partículas

El hipotético gravitón. Se cree que son los causantes del tirón de la gravedad entre todas las partículas

Los fotones comunican la fuerza electromagnética entre fermiones cargados como los electrones, permitiéndoles

atraer o repeler, según sus respectivas cargas.

BOSONESBOSONES

Tipo Nombre Símbolo Cargaelectromagnética

Carga débilCarga fuerte(color)

Masa

Leptón

Electrón e- -1 -1/2 0 0,511 MeV/c²

Muón µ- -1 -1/2 0 105,6 MeV/c²

Tauón τ- -1 -1/2 0 1,784 GeV/c²

Neutrino electrónico νe 0 +1/2 0 < 50 eV/c²

Neutrino muónico νµ 0 +1/2 0 < 0,5 MeV/c²

Neutrino tauónico ντ 0 +1/2 0 < 70 MeV/c²

Quark

Up (arriba) u +2/3 +1/2 R/G/B ~5 MeV/c²

charm (encanto) c +2/3 +1/2 R/G/B ~1.5 GeV/c²

Top (verdad) t +2/3 +1/2 R/G/B >30 GeV/c²

Down (abajo) d -1/3 -1/2 R/G/B ~10 MeV/c²

strange (extraño) s -1/3 -1/2 R/G/B ~100 MeV/c²

Bottom (belleza) b -1/3 -1/2 R/G/B ~4,7 GeV/c²

FERMIONESFERMIONES

Son solitarios y existen sin compañía

LEPTONESLEPTONES

FERMIONESFERMIONES

FERMIONESFERMIONESLEPTONESLEPTONES

Electrón

Neutrino Electrónico Neutrino Muónico Neutrino Tauónico

TauónMuón

QUARKSQUARKS

FERMIONESFERMIONES

QUARKSQUARKS

Solo existen en grupo para formar Hadrones

Presentan carga fraccionaria

FERMIONESFERMIONES

QUARKSQUARKS

FERMIONESFERMIONES

Arriba (up)

Abajo (down)

Verdad (top)Encanto (charm)

Extraño (strange) Belleza (bottom)

2/3 2/3

-1/3 -1/3

Desarrollo cronológicoDesarrollo cronológico

La matemática hecha realidadLa matemática hecha realidad

QUARKSQUARKS

FERMIONESFERMIONES

QUARKSQUARKS

FERMIONESFERMIONES

117

FERMIONESFERMIONESNUCLEONES: NUCLEONES: El El protónprotón

1. No es una partícula elemental; está formado por tres quarks (es un barión)2. Es un hadrón por verse afectado por la fuerza nuclear que es la que mantiene unidos a

los protones y los neutrones en el núcleo de los átomos. Si no fuera por ella, estas partículas nunca estarían juntas (los protones se repelerían por tener carga del mismo signo) y no existirían los átomos.

3. El protón “siente” todas las fuerzas fundamentales: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la débil.

4. No puede haber dos protones en el mismo estado cuántico en un mismo átomo.

El Protón está constituidos por tres quarks (qqq) unidos por gluones

(uud) = 2/3 + 2/3 – 1/3 = 3/3 = 1

upup upup downdown

FERMIONESFERMIONES

1. No es una partícula elemental; está formado por tres quarks (es un barión)2. Es un hadrón por verse afectado por la fuerza nuclear que es la que mantiene unidos a

los protones y los neutrones en el núcleo de los átomos.3. El protón “siente” todas las fuerzas fundamentales: la gravitatoria, la electromagnética, la

nuclear fuerte y la débil. 4. No puede haber dos protones en el mismo estado cuántico en un mismo átomo.

El Neutrón está constituidos por tres quarks (qqq) unidos por gluones

(uud) = 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0

upup downdowndowndown

NUCLEONES: NUCLEONES: El El neutrónneutrón

U Ud dUd

NÚCLEOSNÚCLEOS

NÚCLEOSNÚCLEOS

Estructura del núcleo atómico

Están formados exclusivamente por protones y neutrones. La cantidad de protones presentes en el núcleo se denomina número atómico y se expresa como Z. La cantidad de neutrones del núcleo se representa por NLa cantidad total de nucleones del núcleo (protones más neutrones) se denomina número másico y se determina por A. (A = Z + N). Los átomos de un mismo elemento que poseen distinto número másico se conocen por isótopos. Todos los elementos conocidos tienen isótopos. Los átomos que poseen igual número másico, aunque pertenezcan a distintos elementos químicos, se denominan isobaros.

FUERZAS DE INTERACCIÓNFUERZAS DE INTERACCIÓN

Fuerza Electrodébil

Fuerza ElectromagnéticaQED

Fuerza DébilModelo Estándard

Fuerza Fuerte

QCD

Fuerza GravitacionalRelatividad General

galaxia1021 m

materia10-1 m

cristal10-9 m

átomo10-10 m

núcleo atómico10-14 m

electrón

nucleón10-15 m

<10-18 m

quark

ADN10-8 m

La investigación con haces de iones y antiprotones

Interacciones ión-materia

Plasmas densos

Campos EM intensos

Nucleos al extremo

Estructura de quarks y gluones de los hadrones

Materia de quarksPlasma quark-gluónExcitación del vacío

Iones pesados → 12 TW/g

Núcleos exóticos (1 GeV/u)

Antiprotones 0-15(30) GeV

Iones relativistas (35 GeV/u)J. Benlliure

Fuerzas y PartículasFuerzas y Partículas

Fuerzas e InteraccionesFuerzas e Interacciones

Intensidad : 10–38

Alcance : Infinito

Intensidad : 10–13 - 10–18

Alcance : 2 · 10 –18 m

Intensidad : 10–2 Alcance : Infinito m

Intensidad : 1Alcance : 1.5 · 10 –15 m

Unidad de estudio de la materia Unidad de estudio de la materia

Unidad simple de un Unidad simple de un elementoelemento

Cada átomo retiene todas las Cada átomo retiene todas las propiedades químicas y propiedades químicas y físicas de su elemento físicas de su elemento matriz. matriz.

ATOMOSATOMOS

ATOMOSATOMOS

Según la teoría electrónica, Según la teoría electrónica, el átomo está formado por:el átomo está formado por: ATOMO

PROTONES

NEUTRONES

ELECTRONES

ELEMENTOELEMENTOAntes de Dalton:

Elementos son sustancias que no pueden ser descompuestas en sustancias más simples

Dalton:

Elementos son sustancias formadas por átomos idénticos

Definición Moderna

Elementos son sustancias formadas por átomos que tienen exactamente la misma carga positiva en el

núcleo. Es decir: Todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo Número Atómico

ELEMENTOSELEMENTOS

MOLECULASMOLECULAS

MOLECULASMOLECULAS

MATERIAMATERIA

NATURALEZA DE LA MATERIA

MATERIA MOLECULAS ATOMOS

Para que sirve todo esto ?Para que sirve todo esto ?

BIOMOLECULASBIOMOLECULAS

COMPLEJIDAD BIOLÓGICACOMPLEJIDAD BIOLÓGICA(Células, Tejidos, Órganos, Aparatos)(Células, Tejidos, Órganos, Aparatos)

Se usa la relación E=mc2 y tomado c = 1, para expresar las masas en unidades de energía. Para pasar al sistema internacional (esto es, a gramos) :

[MeV] = [eV] * 106 = [J] * 1.6*10-19 * 106 = 1.6*10-13 * [J]

Para el protón, por ejemplo: 938.3 MeV =1.501*10-10J

m[Protón] = 1.501*10-10J / c(m/s)2 = 1.501*10-10J / (2.998 * 108)2(m/s)2 = 1.67*10-27 g

SISTEMA DE UNIDADES SISTEMA DE UNIDADES NATURALESNATURALES