11.1 Introducción a la física de partículas

Las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza son, por orden de intensidad: nuclear fuerte, electromagnética, nuclear débil y gravitacional. Los cuarks interactúan mediante la fuerza fuerte, pero los leptones no. Tanto los cuarks como los leptones interactúan a través de las fuerzas electromagnética, débil y gravitacional.
Las partículas elementales se clasifican en fermiones y bosones. Los fermiones tienen un espín semientero y obedecen el principio de exclusión. Los bosones tienen espín entero y no obedecen este principio. Los bosones son los portadores de fuerza de las interacciones de las partículas.
Los cuarks y los leptones pertenecen a familias de partículas compuestas por tres miembros cada una. Los miembros de una familia comparten muchas propiedades (carga, espín, participación en las fuerzas) pero no la masa.
Todas las partículas tienen antipartículas. Las partículas comparten las mismas propiedades que las partículas de antimateria, pero llevan carga opuesta.

11.2 Leyes de conservación de las partículas

Las interacciones de las partículas elementales se rigen por las leyes de conservación de las partículas, que pueden utilizarse para determinar qué reacciones y decaimientos de partículas son posibles (o están prohibidas).
La ley de conservación del número bariónico y la ley de conservación del número de tres leptones son válidas en todos los procesos físicos. Sin embargo, la conservación de la extrañeza solo es válida en las interacciones nucleares fuertes y las interacciones electromagnéticas.

Existen seis cuarks conocidos: arriba (up, u), abajo (down, d), encantado (charm, c), extraño (strange, s), superior (top, t) e inferior) (bottom, b). Estas partículas son fermiones con espín semientero y carga fraccionaria.
Los bariones están formados por tres cuarks y los mesones por un par cuark-anticuark. Debido a la fuerza fuerte, los cuarks no pueden existir de forma aislada.
Las pruebas de los cuarks se encuentran en los experimentos de dispersión.

Se han desarrollado muchos tipos de aceleradores de partículas para estudiarlas y sus interacciones. Entre ellos se encuentran los aceleradores lineales, los ciclotrones, los sincrotrones y los haces de colisión.
Las máquinas de haces de partículas colisionantes se utilizan para crear partículas masivas que se decaen rápidamente en partículas más ligeras.
Los detectores multipropósito se utilizan para diseñar todos los aspectos de las colisiones de alta energía. Entre ellos se encuentran los detectores para medir el momento y las energías de las partículas de carga y los fotones.
Las partículas cargadas se miden doblando estas partículas en un círculo mediante un campo magnético.
Las partículas se miden mediante calorímetros que las absorben.

El modelo estándar describe las interacciones entre partículas a través de las fuerzas nuclear fuerte, electromagnética y fuerza nuclear débil.
Las interacciones de las partículas se representan mediante los diagramas de Feynman. Un diagrama de Feynman representa las interacciones entre partículas en un gráfico espacio-tiempo.
Las fuerzas electromagnéticas actúan a gran distancia, pero las fuerzas fuertes y débiles actúan a corta distancia. Estas fuerzas se transmiten entre las partículas mediante el envío y la recepción de bosones.
Las teorías de la gran unificación buscan una comprensión del universo en términos de una sola fuerza.

El universo se expande como un globo: cada punto se aleja de los demás.
Las galaxias lejanas se alejan de nosotros a una velocidad proporcional a su distancia. Esta tasa se mide en aproximadamente 70 km/s/Mpc. Así, cuanto más lejos estén las galaxias de nosotros, mayor será su velocidad. Estas "velocidades de recesión" pueden medirse mediante el corrimiento Doppler de la luz.
Según los modelos cosmológicos actuales, el universo comenzó con el Big Bang hace aproximadamente 13.700 millones de años.