Reseña

Este libro de texto fue desarrollado a partir de los apuntes de la materia de
Física Nuclear y de Partículas, dictada en la carrera de Física de la Escuela
Politécnica Nacional. Tiene como finalidad dar a conocer al estudiante
una visión general introductoria del núcleo atómico y sus propiedades, así
como de las partículas elementales.
El núcleo atómico es un sistema complejo formado por protones y neutrones
que a su vez son sistemas compuestos por quarks. La evolución de
un modelo teórico nuclear se basó en la determinación experimental de
sus propiedades y del modelo vigente de partículas en ese momento. Por
lo que fueron necesarios varios modelos a la vez para explicar las propiedades
nucleares observadas. En el modelo inicial, el núcleo está formado
por protones y neutrones interaccionando entre sí a través de una nueva
fuerza, llamada nuclear fuerte. No fue sino hasta la década de los 70 que
el modelo hadrónico basado en sistemas de quarks tomó fuerza y se repensó
en el modelo nuclear como un conjunto de quarks en interacción.
Sin embargo, la interacción entre quarks a nivel nuclear no permitía hacer
cálculos ni predicciones utilizando la teoría de perturbaciones, debido a la
intensidad de la interacción. Recientemente estas teorías (discretizadas)
están teniendo un gran impulso por la alta capacidad de cálculo que tienen
actualmente los super-ordenadores. Sin embargo, la descripción teórica se
mantiene en función de la interacción nucleón-nucleón; aunque en la actualidad
existen desarrollos de teorías efectivas basadas en la interacción
entre quarks, éstas no se discuten en este texto.
Puesto que este libro es un texto introductorio de física nuclear, el material
expuesto esta basado en la aproximación de que la interacción fuerte es
nucleón-nucleón. Posteriormente se complementa con el modelo estándar
de partículas elementales, mostrando a los nucleones como sistemas de
quarks en interacción. Se discute además las dificultades de la aplicación
de la interacción entre quarks en la descripción de propiedades nucleares.
El contenido que se incluye en este texto cubre los principales tópicos de
física nuclear y de partículas. Aún cuando el material expuesto es muy
amplio, el curso puede organizarse de manera que cubra los principales
tópicos de interés. La profundidad con que se estudie cada tema depende
de los objetivos del curso, y algunos capítulos o secciones pueden ser
omitidos o vistos superficialmente si el lector así lo desea o si el tiempo
del curso no lo permite.
El estudio de la física nuclear se desarrolla a partir de los primeros experimentos
que llevaron al descubrimiento del núcleo atómico y sus propiedades.
Considerado el núcleo como un sistema de protones y neutrones
(nucleones) se estudia, desde el punto de vista fenomenológico, la fuerza
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que los mantiene unidos en un volumen tan pequeño (10−14 m), las propiedades
que presenta esta interacción entre nucleones, y se postula un
potencial que las tome en cuenta. Se revisan los modelos nucleares colectivos
(modelo de la gota líquida y colectivo) e individuales (modelo de gas
de Fermi y de capas), que explican una serie de propiedades observadas de
los núcleos atómicos. Se estudia las reacciones nucleares: en primer lugar
las que presentan decaimiento espontáneo, es decir, la radiactividad, su
ley general de decaimiento, filiación radiactiva, ramas de decaimiento y la
producción de radio-isótopos a tasa de producción constante. Se estudia
también los tipos de decaimientos: alfa, beta y gamma y sus correspondientes
modelos. Se abarca ligeramente la absorción resonante nuclear y
el efecto Mössbauer. Se retoma las reacciones nucleares con el estudio de
las tendencias de secciones eficaces de reacciones específicas. Se aborda la
teoría de la dispersión y de reacción, desde el punto de vista de la aproximación
de las ondas parciales; así como las reacciones resonantes. Se
incluye una discusión simplificada de la fisión y fusión nuclear solamente
por la relevancia de estos temas en el desarrollo de la física nuclear.
La física de partículas elementales empieza con un estudio fenomenológico,
a partir de las observaciones. Se estudian las principales características de
las interacciones electromagnética, débil y fuerte. Se discuten los números
cuánticos asociados a las partículas como: número bariónico, leptónico,
extrañeza, isospin, que se definen de la ocurrencia o ausencia de ciertas
reacciones entre partículas. Se introduce así un estudio mecánico-cuántico
de las simetrías y leyes de conservación. Se define las características generales
de la interacción débil y de la fuerte. Se introduce la descripción
de procesos de interacción entre las partículas a través de los diagramas
de Feynman. A continuación, se realiza una introducción a las reglas de
Feynman en la electro-dinámica cuántica con el fin de cálculo de secciones
eficaces de procesos, utilizando diagramas de Feynman de primer orden.
Por último se hace una introducción informal a la teoría de campos, en
la que se abordan brevemente las teorías Gauge y el mecanismo de Higgs
aplicado al modelo Electro-débil. Esto con el fin de que los estudiantes
conozcan la teoría en la que se fundamenta el modelo estándar.
El curso esta diseñado para estudiantes de los últimos semestres de la
carrera de Física por lo que deben haber cursado materias como: Electrodinámica,
Mecánica Cuántica, Métodos Matemáticos para la Física, y las
materias requisitos de aquellas.