El campo científico, con el paso del tiempo, ha ido descubriendo cada vez más partículas. En consecuencia, los electrones, protones y neutrones —los bloques básicos que componen el universo— pasaron a formar parte de una familia más amplia de partículas. Ahora, además, sabemos que los protones y neutrones están formados de quarks y que interactúan a través de fuerzas. Entonces, ¿cómo podemos clasificar a todas estas nuevas partículas y lo que deriva de ello? En este artículo estudiaremos cuántas partículas existen y cómo podemos clasificarlas.
¿Cuántas partículas existen?
Por el momento, el modelo estándar cuenta con diecisiete partículas elementales; incluye partículas como los quarks, —que componen la materia— y los fotones —responsables de los intercambios de energía en la materia—.
Fig. 1: El Gran Colisionador de Hadrones se utiliza para la investigación de partículas elementales.
¿Cuál es la clasificación de las partículas elementales?
La clasificación de las partículas elementales las divide según sus propiedades o interacciones; tienen características distintas y están sujetas a diversas fuerzas, por lo que desempeñan papeles diferentes en el universo. Además, con el aumento del número de partículas descubiertas, se hizo necesaria una clasificación más general, por lo que las partículas se dividieron en dos grandes familias: fermiones y bosones (portadores de campo).
Cuadro de clasificación de las partículas
Las partículas pueden clasificarse de la siguiente manera:
Fig. 2: Clasificación de las partículas elementales.
Observa que en el diagrama de las partículas, además de los fermiones y bosones, se incluyen a los hadrones. Esto se debe a que los hadrones son partículas compuestas por más de un bosón o más de un fermión. Pero antes de estudiar a los hadrones, es necesario estudiar a los quarks.
Quarks
Los quarks son las partículas que forman los hadrones y son los responsables de darles carga.
Algunos ejemplos son el quark bottom y el quark down, que forman los protones y los neutrones.
Cada quark tiene su carga fundamental; si se suma la carga de todos los quarks, se obtiene la carga fundamental total de la partícula. Y si, a continuación, se suma el número de bariones, se obtiene el signo que indica si la partícula es materia o antimateria.
En la siguiente tabla puedes encontrar las cargas de los quarks.
| Partícula | Símbolo | Carga |
| Up | \(u\) | \(+2/3\) |
| Down | \(d\) | \(-1/3\) |
| Strange | \(s\) | \(-1/3\) |
| Anti-up | \(\bar{u}\) | \(-2/3\) |
| Anti-down | \(\bar{d}\) | \(1/3\) |
| Anti-strange | \(\bar{s}\) | \(1/3\) |
Tabla 1: Quarks y antiquarks.
Podemos ver que:
- Si tenemos dos quarks up y un quark down, tenemos un protón con carga 1.
- Si tenemos un quark up y dos quarks down, tenemos un neutrón con carga 0.
Un antiprotón combina dos quarks anti-up y un quark anti-down. Un antiprotón tiene la misma masa que un protón, pero su carga es negativa.
Los quarks strange son partículas adicionales que se forman cuando los haces de alta energía colisionan con átomos. Las partículas strange se desintegran más lentamente que los demás quarks. Además, poseen una cualidad que se ha denominado número extraño.
Los quarks, electrones y neutrinos forman la subfamilia conocida como fermiones.
Hadrones
Los hadrones son partículas que componen la mayor parte de la masa de la materia.
El neutrón es un ejemplo de hadrón.
Los hadrones tienen las siguientes características fundamentales:
- Se mantienen unidos por una fuerza conocida como fuerza nuclear fuerte, que pega todas las partículas que componen el núcleo.
- Están formados por partículas llamadas quarks.
- Estos quarks transportan la carga eléctrica de los hadrones.
El protón es un hadrón formado por tres quarks, cada uno de los cuales tiene una carga.
- Dos de los quarks tienen una carga de \(2/3\,e\), mientras que el tercero tiene una carga de \(-1/3\).
- La suma de las cargas es \(2\cdot(2/3)+1\cdot(-1/3)\), siendo la carga total o elemental del protón \(+1\).
Los hadrones pueden clasificarse en dos categorías:
- Mesones, que constan de un número par de quarks, como los protones y los neutrones.
- Bariones, formados por un número impar de quarks, como el muón.
Los antiquarks y la antimateria, así como los positrones (electrones positivos), los antiprotones y los antineutrones, pertenecen a las mismas familias que sus homólogos (quarks, electrones, protones y neutrones). La diferencia clave entre ellos y la materia normal es que algunas de sus características, como la carga eléctrica, son opuestas.
Leptones
Los leptones son partículas elementales que no pueden dividirse en partículas más pequeñas.
Los leptones tienen carga, como los hadrones. Pueden clasificarse en partículas cargadas y partículas neutras.
- Cargadas: poseen y transportan cargas eléctricas, como el electrón, el muón y el tau.
- Neutras: su carga es nula, como la de los neutrones.
A los leptones no les afecta la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a protones y neutrones en el núcleo. Pero, sí se ven afectados por la fuerza nuclear débil
Partículas de campo
El modelo del universo consiste en partículas que constituyen la materia y cuatro fuerzas elementales. Estas fuerzas son la gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil:
- Gravedad: fuerza responsable de que los objetos y campos de materia con masa o energía son atraídos entre sí. A diferencia de las otras fuerzas, aún no se ha encontrado la partícula responsable de esta interacción.
- Fuerza electromagnética: el fotón es la partícula responsable de transportar la energía electromagnética en ondas y de interactuar con los átomos intercambiando energía.
- Fuerza nuclear fuerte: es la fuerza responsable de mantener unido el centro de los átomos. La partícula portadora de esta fuerza es el gluón.
- Fuerza nuclear débil: fuerza responsable de la desintegración de los átomos y de la radiación. Las partículas portadoras de esta fuerza son los bosones W y Z.
¿Qué tienen en común las partículas de campo? ¡Todas son bosones!
Un bosón es una partícula fundamental con espín entero. A diferencia de los fermiones, los bosones no obedecen el principio de exclusión de Pauli.
A continuación, puedes ver una tabla con las propiedades de los principales bosones de la naturaleza:
| Partícula | Símbolo | Carga eléctrica | Masa |
| Fotón | \(\gamma\) | \(0\) | \(0\) |
| Gluon | \(g\) | \(0\) | \(0\) |
| Bosón Z | \(Z\) | \(0\) | \(91,18\,\,\mathrm{GeV/c^2}\) |
| Bosón W | \(W^{\pm}\) | \(\pm 1\) | \(80,401\,\,\mathrm{GeV/c^2}\) |
| Bosón de Higgs | \(H^0\) | \(0\) | \(125,3\,\,\mathrm{GeV/c^2}\) |
Tabla 2: Propiedades de los bosones.
El bosón de Higgs ha sido una de las últimas partículas descubiertas. ¡Veamos por qué es tan importante!
El bosón de Higgs
El bosón de Higgs ha sido una de las últimas partículas descubiertas. Propuesto por Peter Higgs y descubierto en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones), proporciona información sobre cómo las partículas obtienen su masa.
El bosón de Higgs es una partícula elemental producida por una excitación cuántica del campo de Higgs.
Según el modelo estándar de las partículas, el bosón de Higgs es un bosón escalar masivo, con espín cero, paridad positiva, sin carga eléctrica y sin carga de color. Este bosón es muy inestable, lo que provoca que se desintegre en otras partículas rápidamente.
El mecanismo de Brout-Englert-Higgs fue sugerido en 1964, para explicar que las partículas elementales adquieren su masa al interactuar con el campo de Higgs. Una masa mayor implica una interacción más fuerte con el campo de Higgs.
El descubrimiento del bosón de Higgs es un gran avance para la física de partículas, ya que nos ayudará a entender mejor la estructura fundamental del universo.
Clasificación de partículas - Puntos clave
- Actualmente, existen diecisiete partículas elementales, que componen la materia y las interacciones energéticas del universo.
- Las partículas pueden dividirse en hadrones, leptones y portadores de fuerza o partículas de campo.
- Los portadores de fuerza son partículas encargadas de transmitir energía entre otras partículas.
- Aún no se ha encontrado el gravitón.
- Los hadrones están formados por otras partículas elementales, mientras que los leptones no.
- Los hadrones están formados por quarks, que les confieren su carga.
- La carga de los quarks y el número de bariones definen la carga eléctrica de la materia.
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