Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Física de partículas


La física de partículas es una fascinante rama de la ciencia que busca entender los componentes fundamentales del universo. Aunque puede parecer compleja, básicamente implica el estudio de las piezas más pequeñas de la materia y las fuerzas que las controlan. El objetivo de este ambicioso campo es responder a algunas de las preguntas más profundas sobre la naturaleza del universo. A continuación, exploraremos los conceptos clave de la física de partículas, explicaremos su importancia y veremos cómo encaja en el panorama más amplio de la física.

¿Qué son las partículas?

En pocas palabras, las partículas son los bloques de construcción de todo lo que nos rodea. Son las unidades más pequeñas conocidas de materia y energía. Los átomos, que en su momento se pensaron como las unidades más pequeñas de la materia, están compuestos por partículas aún más pequeñas: protones, neutrones y electrones. Pero la física de partículas va aún más allá, explorando los subcomponentes de los protones y neutrones, conocidos como quarks, así como otras partículas elementales.

Electrones Protón Neutrón Átomos

Partículas elementales

Las partículas elementales son partículas que no tienen subestructura; es decir, no están compuestas por partículas más pequeñas. La comprensión actual de estas partículas se explica principalmente por el Modelo Estándar de la física de partículas. Según el Modelo Estándar, las partículas elementales pueden clasificarse en dos grupos: fermiones y bosones.

Fermiones

Los fermiones son los bloques de construcción de la materia. Obedecen al principio de exclusión de Pauli, lo que significa que no pueden haber dos fermiones en el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Los fermiones se dividen en quarks y leptones.

  • Quarks: Los bloques de construcción de protones y neutrones. Hay seis tipos o "sabores" de quarks: arriba, abajo, encantado, extraño, cima y fondo.
  • Leptones: Estos incluyen electrones y neutrinos. Algunos leptones bien conocidos son el electrón, el muon y el tau.

Bosones

Los bosones son portadores de fuerza que no obedecen al principio de exclusión de Pauli. Estos incluyen partículas como fotones, gluones, los bosones Z y W, y el bosón de Higgs. Cada uno de estos es responsable de mediar una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

  • Fotón: Portador de la fuerza electromagnética.
  • Gluon: Portador de la fuerza fuerte, que mantiene unidos los núcleos de los átomos.
  • Bosones Z y W: Median la fuerza nuclear débil, que es responsable de la desintegración radiactiva.
  • Bosón de Higgs: Asociado con el campo de Higgs, proporciona masa a otras partículas.

Cuatro fuerzas fundamentales

La interacción entre las partículas está gobernada por cuatro fuerzas fundamentales. Cada una de estas fuerzas tiene un rango y fuerza diferentes y está gobernada por distintas partículas.

  1. Gravedad: La más débil pero de mayor alcance. La gravedad afecta a partículas más grandes y se conoce como la fuerza que controla los cuerpos celestes.
  2. Fuerza electromagnética: Actúa entre partículas cargadas y está controlada por fotones. Es responsable de la electricidad, el magnetismo y la luz.
  3. Fuerza nuclear fuerte: La fuerza más fuerte que mantiene unidos a protones y neutrones dentro de los núcleos atómicos. Está controlada por gluones.
  4. Fuerza nuclear débil: Responsable de algunos tipos de desintegración radiactiva. Es mediada por los bosones W y Z.
Electromagnética Fuerte Débil Gravedad

Entendiendo el Modelo Estándar

El Modelo Estándar de la física de partículas es un marco teórico bien probado que describe las fuerzas electromagnética, débil y fuerte nuclear. Es una teoría rica en verificación experimental y poder predictivo. A pesar de sus éxitos, no incluye la gravedad, que es descrita por la teoría de la relatividad general.

El Modelo Estándar agrupa las partículas fundamentales en una tabla de partículas que clasifica y explica sus interacciones.

| Partícula | Categoría |
|-----------|-----------|
| Quark     | Fermión   |
| Leptones  | Fermiones |
| Bosón de gauge | Bosón |
| Bosón de Higgs | Bosón |

Aplicaciones de la física de partículas

Los conocimientos obtenidos de la física de partículas tienen aplicaciones prácticas en muchos campos, incluyendo técnicas de imagen médica como las exploraciones PET, el desarrollo de la World Wide Web en el CERN y avances en la ciencia de materiales. Las técnicas desarrolladas para aceleradores y detectores de partículas a menudo encuentran aplicaciones más allá del ámbito de la investigación física.

Aceleradores de partículas

Para estudiar partículas, los científicos usan aceleradores de partículas, que son máquinas grandes que aceleran partículas a velocidades muy altas y las hacen colisionar entre sí. Esto puede producir nuevas partículas y revelar nueva información sobre su naturaleza.

El LHC (Gran Colisionador de Hadrones) en el CERN es el acelerador de partículas más grande y poderoso del mundo. Desempeñó un papel clave en el descubrimiento del bosón de Higgs.

El LHC Colisionador Partícula

Ejemplos de la física de partículas en acción

Cuando miramos a nuestro alrededor, encontramos que todo está hecho de átomos, que a su vez están hechos de partículas subatómicas. Consideremos un vaso de agua: está hecho de moléculas de agua, cada una de las cuales contiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Estos átomos están compuestos por protones, neutrones y electrones. Analizando aún más, la cromodinámica cuántica (QCD), una teoría dentro del marco del modelo estándar, nos muestra que los protones y neutrones están hechos de quarks que están unidos por gluones.

Este viaje microscópico a la física de partículas revela la naturaleza compleja pero bellamente ordenada del universo. Los patrones notablemente ordenados observados en las escalas más pequeñas reflejan la mecánica del universo más grande que entendemos, demostrando la profundidad del alcance de la física de partículas tanto en el pensamiento como en la tecnología.

Retos y futuro de la física de partículas

El campo de la física de partículas ha avanzado mucho, pero aún quedan muchas preguntas por responder. Por ejemplo, la unificación de la gravedad con los principios de la teoría cuántica de campos, en la cual se basa el Modelo Estándar, sigue siendo un área activa de investigación. Además, la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura, que son una parte significativa del universo, aún se desconoce.

Se puede avanzar más estudiando las masas de los neutrinos, la hipótesis de la supersimetría, y potencialmente descubriendo nuevas partículas. Los físicos de partículas continúan buscando respuestas a estos misterios que amplían los límites del conocimiento humano.

Conclusión

La física de partículas, aunque compleja, es un campo esencial que avanza nuestra comprensión del universo. Aborda las preguntas más fundamentales, influye en los avances tecnológicos y abre nuevas vías de investigación tanto en la física teórica como experimental. Al sondear las partículas y fuerzas más elementales, los investigadores continúan iluminando el complejo tapiz del universo, conduciendo a una comprensión más profunda del reino físico.


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