¿Entendemos por qué ciertas partículas elementales surgen de una colisión de partículas, como cuando chocan dos protones?

Answer 1

La respuesta de Joshua es correcta, solo quiero agregar algunas cosas para darle un sabor a cómo funcionan las cosas (no hay juego de palabras). La herramienta básica utilizada para predecir la salida de colisiones de partículas es el diagrama de Feynman, del cual he copiado uno a continuación (del diagrama de Feynman)
Un diagrama de Feynman es básicamente como un término en una expansión de Taylor. Todo esto está determinado por lo que se llama Lagrangiano, que es algo así como Energía. El lagrangiano tiene ciertos términos de interacción, lo que significa que algunas partículas interactúan con otras. Esto suele estar en un término exponencial (consulte la sección Formulación integral de la trayectoria, la Teoría de campos cuánticos). “Taylor expandiendo” los términos proporciona interacciones de primer orden (en realidad es una diferenciación funcional, pero una idea similar).

Qué significa todo esto? Básicamente, las partículas elementales son excitaciones de un campo, y diferentes campos pueden interactuar entre sí. Piense en ello como la conversión de energía de una forma a otra forma. Como, por ejemplo, la energía luminosa se puede convertir en energía térmica, que es lo mismo que el fotón que proporciona energía cinética a un electrón. Interacciones más complicadas pueden ocurrir con otros campos. El campo débil interactúa con las partículas cargadas bajo la fuerza débil, a través de los bosones W y Z, como los electrones y los protones (esto puede cambiar el tipo de partícula). El campo fuerte interactúa con las partículas cargadas bajo la fuerza fuerte, a través de los gluones, que generalmente son quarks (los electrones no se cargan bajo la fuerza fuerte). Los fotones interactúan con la carga eléctrica habitual.

En el diagrama anterior, vemos que un electrón y un anti-electrones se aniquilan entre sí, para formar un fotón de muy alta energía, que luego se convierte en un par de quark anti-quark. Los vértices provienen de los términos de interacción en el Lagrangiano, que deben conservar todas las cargas conservadas para que sean términos consistentes.

Una pregunta interesante era cómo las partículas tienen masa, porque un término de masa no es realmente consistente para un lagrangiano. Esta es la razón por la cual se introdujo el bosón de Higgs, para dar una forma consistente de dar masa a las partículas. Es posible que hayas oído que esta partícula fue observada recientemente.

Entonces, básicamente, si conoces el Lagrangiano, entonces puedes averiguar qué interacciones están permitidas, y también con qué intensidad interactúan (lo que permite predecir cosas como secciones transversales de partículas en un acelerador). Hay ciertas cosas que requieren más que la teoría de la perturbación (referida a las expansiones de Taylor), que se denomina “acoplamiento fuerte”. Calcular el comportamiento en un fuerte acoplamiento es un campo activo de investigación (¡que generalmente es muy difícil!)

Answer 2

Si el Modelo Estándar es correcto, entendemos. El problema está en la palabra “entender”, ya que si hay algo que el modelo estándar no puede resolver, entonces existe una brecha en nuestra comprensión, y si el modelo solo es accidentalmente correcto, entonces no lo entendemos en absoluto. Lo que podemos decir es que podemos usar el Modelo Estándar para predecir lo que sucederá e invariablemente lo hace. Regrese y observe este problema en aproximadamente tres años, y el LHC habrá confirmado esencialmente el Modelo Estándar, o habrá una actividad frenética de los teóricos.

Answer 3

El modelo estándar es un conjunto de reglas que aún se están compilando. Nadie sabe por qué estas reglas son como son, excepto que hay simetrías y agrupaciones de partículas. De vez en cuando, falta una partícula en una simetría propuesta, como la partícula Omega o Higgs, pero son solo el resultado de una simetría captada; No desde una razón fundamental.

Answer 4

Sí. Las reglas se llaman el Modelo Estándar. Es un poco complicado, pero no es demasiado complicado para obtener la esencia. Hay algunas propiedades del universo que se conservan, de la misma manera que lo son la energía y el impulso. Hay algunas otras propiedades, incluidas las conocidas como “carga” y otras desconocidas como “sabor de quark” e “isospin”. La lista no es grande, aunque las reglas de conservación para algunos de ellos son más complicadas que simplemente “positivo más negativo es igual a cero”. Combinado con algunos otros parámetros arbitrarios (como la masa de cada tipo de quark), podemos predecir lo que sucede dentro de un colisionador de partículas 99.999999% del tiempo.

El modelo no está 100% completo; Hay lagunas en nuestro conocimiento. Es por eso que todavía corremos colisionadores de partículas. Pero los colisionadores tienen que crecer cada vez más, porque la variedad de fenómenos que no se explican por ellos se aleja cada vez más de las circunstancias ordinarias del universo.