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¿Cuanto sabes de partículas subatómicas?

Desde temprana edad nos han enseñado que los átomos son las partes fundamentales de la materia. A su vez, también nos han enseñado que estos átomos están compuestos de protones,neutrones y electrones. El lector más avanzado quizá haya oído hablar de quarks. Y todos hemos oído hablar del famosísimo bosón de Higgs. Pero, ¿que sabemos realmente de partículas subatómicas?
Las partículas subatómicas son, por definición, todas aquellas partículas más pequeñas que el átomo. Dentro de esta gran familia, hay unas que destacan: las partículas elementales, aquellas que “de momento” son indivisibles. Estas partículas son los constituyentes de la materia y están agrupadas en el llamado Modelo estándar de física de partículas , una teoría física que describe las partículas elementales y las interacciones entre ellas.

Modelo Estándar

El modelo estándar tiene una gran importancia en la física de partículas, ya que se ha demostrado que cumple las predicciones teóricas de tres de las cuatro interacciones fundamentales ( electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte,pero no la gravedad). Además es consistente con la mecánica cuántica y la relatividad general, dos teorías no muy amigas entre ellas.

Vayamos al grano. Como ya hablamos en otro post, las particulas subatómicas de clasifican en fermiones, que son los constituyentes de la materia “los ladrillos” y bosones, las partículas que hacen interactuar a los fermiones entre sí “el cemento”.

Una buena analogía es la de dos niños(fermiones) jugando con una pelota(bosón) y lanzándosela. Al lanzarse la pelota de uno a otro, interactúan entre ellos transmitiéndose fuerza.

diagrama de Feynman mostrando el intercambio de un fotón virtual entre un electron (abajo) y un positrón (arriba)

Primero vamos a hablar de los fermiones. Son doce. Estos son los 6 quarks ( arriba, abajo, cima,fondo, encanto y extraño) y los leptones.

Los leptones a su vez son el electrón, el muón y la partícula tau, y los tres neutrinos asociados( tau -neutrino, muón -neutrino y electrón-neutrino).

Los quarks se unen entre ellos para formar partículas más grandes. Las partículas formadas por quarks se llaman hadrones. Si se unen tres quarks forman un barión, como el protón y el neutrón, que forman los núcleos atómicos.
En cambio,si se unen un quark y un antiquark (su antipartícula),forman un mesón, como el mesón pi.

Ahora hablemos de los bosones. Los bosones son los responsables de las interacciones entre partículas. Para la electromagnética, el bosón es el fotón virtual. Recibe ese nombre porque es una partícula que tiene un tiempo de vida tan corto que no altera las leyes de la conservación de la energía, de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Para la interacción nuclear débil, que es la responsable de algunos fenómenos radiactivos, están los bosones W y Z.

Para la interacción nuclear fuerte, que es la que mantiene unidos los quarks, está el gluon. Curiosamente, es la única de las cuatro fuerzas que aumenta con la distancia, como si estuviesen unidos por muelles. A este efecto se le denomina en mecánica cuántica Confinamiento de color.

La gravedad, como ya dijimos anteriormente, es un tema delicado, y cualquier suposición puede ser errónea. Algunos hablan del gravitón, pero esta partícula no pertenece al modelo estándar y ni siquiera está demostrada su existencia.

Diagrama de las relacciones entre las partículas del modelo estándar

Para el lector interesado cabe decir que en realidad todas estas partículas se diferencian por una magnitud llamada espín, y cada familia cumple diferentes teorías físicas. Mientras que los fermiones (en honor a Enrico Fermi) cumplen la estadística Fermi-Dirac y el principio de exclusión de Pauli, los bosones cumplen la estadística Bose-Einstein.

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