Corría el año 1936. Los físicos de partículas flotaban en el aire; es decir, básicamente tenían el universo totalmente resuelto. Tenían los protones y neutrones y, justo medio siglo antes, habían encontrado la prueba empírica del electrón; ¿qué podría ser mejor que esto? Pero, entonces, encontraron pruebas de que podría existir una partícula completamente nueva: el muon.
Tras cuidadosas mediciones, decidieron abrir los brazos a esta nueva partícula, y ampliar las limitaciones del modelo estándar de la física de partículas. Sin embargo, el sorprendente descubrimiento del muon complicó mucho la vida de los físicos de partículas. Esto abrió el camino para el descubrimiento de, todavía, más partículas. En este artículo hablaremos de las partículas que forman la materia y del modelo que las clasifica.
Partículas fundamentales
A lo largo de los años se ha debatido mucho sobre los componentes básicos del universo. Al principio, se postuló que el átomo era la unidad más pequeña del universo; después se pensó en el protón, el neutrón y el electrón, y se probó experimentalmente. Todos estos esfuerzos tenían un objetivo común: encontrar las partículas fundamentales del universo.
Una partícula fundamental o elemental es una partícula que carece de estructura interna. En otras palabras, no está formada por otra partícula.
En los años 30, se creía que los átomos eran los componentes básicos de la naturaleza y que no se podía ir más allá de los protones, neutrones y electrones. Pero, los físicos empezaron a ampliar su visión tras descubrir el muon —una partícula con la misma carga que un electrón, pero con una masa unas veces superior—. ¿Podría haber más partículas además del electrón, el neutrón y el protón? Si un muon es más pequeño que un protón, ¿existen partículas que formen protones y neutrones?
Estas y muchas otras preguntas comenzaron a tomar fuerza. Finalmente, tras años de experimentos y muchas pruebas y errores, consideramos tener una idea bastante aproximada del modelo estándar de la física de partículas.
¿Cuántas partículas hay?
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, es utilizado para la investigación de las partículas elementales.
El modelo estándar de la física de partículas es un modelo cualitativo en el cual se enumeran todas las partículas fundamentales. Además, describe sus propiedades e intenta comprender cómo interactúan en el universo.
Fig. 2: El modelo estándar clasifica a las partículas elementales en función de sus propiedades e interacciones.
La clasificación de las partículas elementales las divide por sus propiedades o interacciones. Al aumentar el número de partículas, se hizo necesaria una clasificación más general, por lo que las partículas se dividieron en dos familias: fermiones y portadores de campo (bosones). Los fermiones, a su vez, se dividen en quarks y leptones. Cada grupo tiene características distintas y están sujetos a fuerzas diferentes, por lo que desempeñan papeles diferentes en el universo.
¿Qué son los fermiones?
Los fermiones son partículas elementales que tienen espín semi-entero. Este tipo de partículas compone toda la materia ordinaria y obedece el principio de exclusión de Pauli.
El principio de exclusión de Pauli dice que dos fermiones no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo.
Existen dos tipos de fermiones: los quarks y los leptones.
Quarks
Los quarks son partículas fundamentales que componen la estructura interna de los neutrones y los protones.
Fig. 3: Los protones están formados por quarks up (u) y down (d), además de gluones.
Las cargas de los quarks son las responsables de dar la carga eléctrica a los protones y neutrones. En la siguiente tabla se muestran las cargas y las masas de los quarks.
| Partícula | Símbolo | Carga eléctrica (\(e\)) | Masa |
| Up | \(u\) | \(+2/3\) | \(1,7-3,1\,\, \mathrm{MeV/c^2}\) |
| Down | \(d\) | \(-1/3\) | \(4-8\,\,\mathrm{MeV/c^2}\) |
| Charm | \(c\) | \(+2/3\) | \(1,150-1350\,\,\mathrm{MeV/c^2}\) |
| Strange | \(s\) | \(-1/3\) | \(80-130\,\,\mathrm{MeV/c^2}\) |
| Top | \(t\) | \(+2/3\) | \(172,76\,\,\mathrm{GeV/c^2}\) |
| Bottom | \(b\) | \(-1/3\) | \(4,19\,\,\mathrm{GeV/c^2}\) |
Tabla 1: Propiedades de los quarks.
Un concepto clave que debes recordar es que los quarks tienen carga eléctrica. Esta carga eléctrica es una fracción de la carga elemental del electrón.
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.
Los quarks strange son partículas adicionales que se forman cuando haces de alta energía colisionan con átomos.
Las partículas extrañas se desintegran más lentamente que los demás quarks y poseen una cualidad que se ha denominado número extraño.
Hadrones
Los hadrones son partículas formadas por quarks; 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.
- Los quarks transportan la carga eléctrica de los hadrones.
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 muon.
Leptón
Los leptones son partículas elementales que no pueden dividirse en partículas más pequeñas.
No les afecta la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a protones y neutrones en el núcleo. Los leptones tienen carga (como los hadrones), se ven afectados por la fuerza nuclear débil y pueden clasificarse en partículas cargadas y partículas neutras:
- Cargadas: poseen y transportan cargas eléctricas, como el electrón, el muon y el tau.
- Neutras: su carga es nula, como la de los neutrones.
La siguiente tabla muestra las propiedades de los leptones:
| Partícula | Símbolo | Carga eléctrica (e) | Masa (\(\mathrm{MeV/c^2}\)) |
| Electrón | \(e^-\) | \(-1\) | \(0,511\) |
| Muon | \(\mu^-\) | \(-1\) | \(105,7\) |
| Tau | \(\tau^-\) | \(-1\) | \(1777\) |
| Neutrino electrónico | \(\nu_{e}\) | 0 | \(<0,0000022^{13}\) |
| Neutrino muonico | \(\nu_{\mu}\) | 0 | \(<0,17^{13}\) |
| Neutrino tau | \(\nu_{\tau}\) | 0 | \(<15,5^{13}\) |
Tabla 2: Propiedades de los leptones.
Los antiquarks y la antimateria —como los positrones (electrones positivos), los antiprotones y los antineutrones— pertenecen a las mismas familias que sus homólogos (quarks, protones y neutrones). La diferencia clave entre ellos y la materia normal es que algunas de sus características, como la carga eléctrica, son opuestas.
¿Qué son los 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.
Los bosones son responsables de tres de las cuatro fuerzas fundamentales del universo: el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte:
- 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 gluon.
- 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.
| 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 3: Propiedades de los bosones.
Fundamental frente a no fundamental: ¿cuál es la diferencia?
Nuestro universo está hecho de pequeños bloques de construcción. Piensa en las casas de troncos que construías con legos cuando eras niño, o en las gigantescas estructuras de lego que decoran Legoland. Todas estas impresionantes proezas arquitectónicas tienen algo en común: son cosas más grandes formadas por un montón de cosas más pequeñas.
Los físicos de partículas se centran en encontrar esos legos más pequeños del universo, que construyen los objetos cotidianos y provocan las interacciones diarias que observamos; es decir, forman el universo conocido y sirven para construir partículas compuestas. Mediante un estudio minucioso, la ciencia espera develar secretos sobre la estructura y las leyes del universo.
Las partículas compuestas son partículas que tienen una estructura interna. En otras palabras, están formadas por partículas fundamentales u otras partículas compuestas más pequeñas.
Modelo estándar y física de partículas - Puntos clave
- El modelo estándar de la física de partículas enumera todas las partículas fundamentales de la naturaleza e intenta describir cómo interactúan en el universo.
- Una partícula fundamental no tiene estructura interna, mientras que las partículas compuestas sí la tienen.
- Algunos ejemplos de partículas fundamentales son los electrones, muones, neutrinos, quarks, fotones, gluones y bosones W y Z.
Los quarks son partículas fundamentales que componen la estructura interna de los neutrones y protones, y tienen una carga eléctrica fraccionaria.
La carga eléctrica de un quark es una fracción de la carga elemental del electrón.
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