Los secretos de la física de partículas
Descubre los bloques básicos del universo y las fuerzas que los gobiernan.
― 7 minilectura
Tabla de contenidos
- Las Partículas Básicas
- Las Fuerzas Que Mantienen Todo Junto
- El Modelo Estándar de la Física de Partículas
- El Bosón de Higgs: La Celebridad de la Física de Partículas
- Más Allá del Modelo Estándar
- La Búsqueda de Nuevas Partículas
- El Momento Magnético Anómalo del Muón
- El Papel de la Cromodinámica Cuántica en Lattice
- Nueva Física y Materia Oscura
- Conclusión: La Búsqueda Infinita de Conocimiento
- Fuente original
- Enlaces de referencia
La física de partículas es como una búsqueda del tesoro, pero en vez de buscar oro, los científicos buscan entender el universo en sus escalas más pequeñas. Imagina descomponer todo lo que te rodea en pedacitos diminutos. A este nivel, todo está compuesto de partículas, como pequeños bloques de construcción.
En el corazón de la física de partículas está la búsqueda por aprender sobre las fuerzas fundamentales que rigen cómo interactúan estas partículas. Estas fuerzas incluyen la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil. Comprender estas interacciones ayuda a explicar desde por qué las manzanas caen de los árboles hasta cómo brillan las estrellas.
Las Partículas Básicas
En la física de partículas, a menudo hablamos de partículas subatómicas. Las más comunes incluyen electrones, protones y neutrones. Los electrones son partículas diminutas con carga negativa, mientras que los protones y neutrones se encuentran en el centro de los átomos, con los protones teniendo carga positiva y los neutrones siendo neutrales.
¡Pero espera! Se pone mucho más interesante. Bajo este nivel superficial, los protones y neutrones están hechos de partículas aún más pequeñas llamadas Quarks. Los quarks vienen en diferentes "sabores" (no, no los de helado), como arriba, abajo, encanto, extraño, arriba y abajo. La forma en que los quarks se combinan para formar protones y neutrones está gobernada por la fuerza fuerte.
Las Fuerzas Que Mantienen Todo Junto
En el mundo de las partículas diminutas, entran en juego cuatro fuerzas fundamentales:
Gravedad: La fuerza que mantiene tus pies en el suelo y asegura que los planetas se mantengan en órbita alrededor del sol. La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas a nivel de partículas.
Electromagnetismo: Esta fuerza actúa entre partículas cargadas. Es lo que hace que los imanes funcionen y es responsable de la electricidad. Es mucho más fuerte que la gravedad.
Fuerza Nuclear Débil: Esta es la fuerza responsable de ciertos tipos de desintegración radiactiva. Juega un papel crucial en procesos como la fusión nuclear en el sol.
Fuerza Nuclear Fuerte: Esta fuerza mantiene a los quarks unidos dentro de protones y neutrones. Es la más fuerte de todas las fuerzas, pero solo funciona a distancias muy cortas.
El Modelo Estándar de la Física de Partículas
Ahora no podemos hablar de física de partículas sin mencionar el Modelo Estándar. Piensa en ello como el libro de recetas definitivo para explicar cómo se conectan las partículas y las fuerzas. Este modelo lista todas las partículas conocidas y sus interacciones.
El Modelo Estándar incluye los tres tipos de partículas: quarks, leptones (como electrones) y partículas portadoras de fuerza (llamadas bosones). Ha tenido un éxito increíble porque predice con precisión varios fenómenos observados en experimentos.
El Bosón de Higgs: La Celebridad de la Física de Partículas
El bosón de Higgs suele ser llamado la "partícula de Dios". No recibió este apodo porque tenga poderes divinos, sino porque juega un papel crucial en dar masa a otras partículas.
El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) fue como encontrar una aguja en un pajar, convirtiéndose en un momento monumental en la física. Su existencia confirmó una parte vital del Modelo Estándar.
Más Allá del Modelo Estándar
¡Pero espera un momento! Aunque el Modelo Estándar hace un gran trabajo, no explica todo. Por ejemplo, no puede explicar la Materia Oscura y la energía oscura, que componen la mayor parte del universo. Muchos científicos creen que hay más por explorar más allá del Modelo Estándar.
Para profundizar, los investigadores están mirando diversas teorías, como la supersimetría y la teoría de cuerdas. Estas teorías buscan llenar los vacíos y responder preguntas sobre el universo.
La Búsqueda de Nuevas Partículas
Para probar estas teorías, los científicos a menudo necesitan encontrar partículas que aún no se han descubierto. Hacen esto usando gigantescos aceleradores de partículas como el LHC. Estos aceleradores son como enormes pistas de carreras para partículas, acelerándolas casi a la velocidad de la luz y chocándolas entre sí.
Cuando las partículas colisionan, pueden producir nuevas partículas. Los investigadores analizan los restos resultantes en busca de pistas sobre nueva física. Cada nueva partícula descubierta podría proporcionar información sobre las fuerzas e interacciones que definen nuestro universo.
El Momento Magnético Anómalo del Muón
Una área que ha intrigado a los físicos es el momento magnético anómalo del muón, un primo más pesado del electrón. Las mediciones de este valor han mostrado signos de ser diferentes de las predicciones teóricas basadas en el Modelo Estándar, sugiriendo que podría haber nueva física en juego.
Esta discrepancia ha despertado interés en explorar interacciones potenciales más allá de lo que actualmente entendemos, convirtiendo al muón en un jugador clave tanto en la física de partículas experimental como teórica.
El Papel de la Cromodinámica Cuántica en Lattice
Para predecir fenómenos relacionados con las partículas, los científicos a menudo confían en técnicas como la cromodinámica cuántica en lattice (QCD). Este enfoque utiliza una estructura en forma de cuadrícula para estudiar las propiedades de la fuerza nuclear fuerte.
Los cálculos de QCD en lattice son increíblemente complejos e implican un poder computacional significativo, pero ofrecen una forma de simular cómo interactúan los quarks y gluones, proporcionando información sobre la estructura de las partículas y sus interacciones.
Nueva Física y Materia Oscura
A medida que los investigadores continúan explorando el universo, también se enfocan en la materia oscura, una sustancia misteriosa que no emite luz ni energía, haciéndola invisible a las observaciones tradicionales. Entender la materia oscura es una de las preguntas más importantes y abiertas en la física hoy en día.
Hay diversas teorías sobre lo que podría ser la materia oscura. Algunos proponen que está compuesta de partículas masivas de interacción débil (WIMPs), mientras que otros sugieren que podría estar formada por partículas más ligeras.
Los experimentos están en curso para detectar materia oscura de manera directa o indirecta, y cada nuevo descubrimiento podría acercarnos a una comprensión completa del universo.
Conclusión: La Búsqueda Infinita de Conocimiento
El mundo de la física de partículas es un campo emocionante repleto de misterio y descubrimiento. A medida que los científicos continúan su búsqueda por desentrañar los secretos del universo, mantienen la esperanza de que nuevas tecnologías, experimentos y avances conducirán a una comprensión más clara de los bloques fundamentales de la materia.
Aunque aún no tengamos todas las respuestas, es este mismo espíritu de investigación lo que impulsa a los investigadores a empujar los límites del conocimiento. La búsqueda de las partículas más pequeñas no es solo un esfuerzo científico; es un fascinante viaje hacia el mismo tejido de la realidad.
Así que, la próxima vez que escuches sobre física de partículas, recuerda: no se trata solo de lo diminuto; se trata de desbloquear los mayores secretos del universo, una partícula a la vez.
Título: Searching for hadronic scale baryonic and dark forces at $(g-2)_\mu$'s lattice-vs-dispersion front
Resumen: The anomalous magnetic moment of the muon ($\,a_{\mu}\,$) provides a stringent test of the quantum nature of the Standard Model (SM) and its extensions. To probe beyond the SM physics, one needs to be able to subtract the SM contributions, which consists of a non-perturbative part, namely, the hadronic vacuum polarization (HVP) of the photon. The state of the art is to predominantly use two different methods to extract this HVP: lattice computation, and dispersion relation-based, data-driven method. Thus one can construct different forms of the ``$a_{\mu}$ test" which compares the precise measurement of $a_{\mu}$ to its theory prediction. Additionally, this opens the possibility for another subtle test, where these two ``theory" predictions themselves are compared against each other, which is denoted as the ``HVP-test". This test is particularly sensitive to hadronic scale new physics. Therefore, in this work, we consider a SM extension consisting of a generic, light $\sim(100~{\rm MeV}-1~{\rm GeV})$ vector boson and study its impact on both tests. We develop a comprehensive formalism for this purpose. We find that in the case of data-driven HVP being used in the $a_{\mu}$ test, the new physics contributions effectively cancels for a flavor-universal vector boson. As an illustration of these general results, we consider two benchmark models: i)~the dark photon ($\,A'\,$) and ii)~a gauge boson coupled to baryon-number ($\,B\,$). Using a combination of these tests, we are able to constrain the parameter space of $B$ and $A'$, complementarily to the existing limits. As a spin-off, our preliminary analysis of the spectrum of invariant mass of $3\pi$ in events with ISR at the $B-$ factories (BaBar, Belle) manifests the value of such a study in searching for $B\to 3\pi$ decay, thus motivating a dedicated search by experimental collaborations.
Autores: Kaustubh Agashe, Abhishek Banerjee, Minuyan Jiang, Shmuel Nussinov, Kushan Panchal, Srijit Paul, Gilad Perez, Yotam Soreq
Última actualización: 2024-12-16 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2412.12266
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2412.12266
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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