FÍSICA DE PARTÍCULAS ELEMENTALES

CRÉDITOS 12

OBJETIVO

El curso esta diseñado para proveer al estudiante con un panorama global que a la vez le permita iniciar su investigación en el área de la física de partículas elementales. Con la finalidad de que el tratamiento de los temas tenga la profundidad adecuada, se asume que el estudiante ha llevado o se encuentra llevando el curso de Teoría Cuántica de Campos I, además de que se requiere de un buen conocimiento de los conceptos de la mecánica clásica, la mecánica cuántica y la electrodinámica.

TEMARIO

1. Panorama general de la física de partículas elementales:

Panorama teórico: Las partículas elementales. Las interacciones fundamentales. Panorama experimental: Métodos de aceleración y detección de partículas.

2. Simetrías y leyes de conservación: Elementos de la teoría de grupos. Simetrías discretas P, C y T. El modelo de cuarks.

3. Teorías con simetría de norma local: Principio de invariancia de norma. Electrodinámica y teorías de Yang-Mills. Rompimiento espontáneo de la simetría. Teorema de Goldstone. Mecanismo de Higgs.

4. Modelo estándar de las partículas elementales 1; teoría electrodébil: Teorías de Fermi y V-A y problemas asociados a estas teorías. Teoría electrodébil. Decaimiento beta del neutrón.

El modelo SU(2)L X  U(1)Y. Rompimiento espontáneo de la simetría y el espectro de la teoría. Bosones de norma. Corrientes cargadas. Corrientes neutras. Interacciones electrodébiles para hadrones. El mecanismo de GIM. La matriz de Kobayashi-Maskawa. Violación de CP. La partícula de Higgs: propiedades y posibles métodos de detección.

5. Modelo estándar de las partículas elementales 2; cromodinamica cuántica: Dispersión inelástica profunda. Libertad asintótica en teorías de norma no-abelianas. Simetría de las interacciones fuertes. El modelo de la cromodinámica cuántica.             El confinamiento de cuarks.

6. Mas allá del modelo estándar.  Ideas generales acerca de las teorías de gran unificación.  Ideas generales acerca de la supersimetría.  Ideas generales acerca de la cuantización de la gravedad y supercuerdas.  Ideas generales acerca de la interrelación entre las partículas elementales y la cosmología.

BIBLIOGRAFÍA

Textos sugeridos como base del curso: F. Halzen y A.D. Martin, Quarks & leptons, John Wiley & Sons, 1984. L.B. Okun, Leptons and Quarks, North Holland, 1984.

Textos sugeridos como consulta: T.-P. Cheng y L.-F. Li, Gauge theory of elementary particle physics, Oxford University Press, 1984. K. Gordon, Modern elementary particle physics, Addison-Wesley Publishing Company, 1987. H. Georgi, Weak interactions and modern particle physics, Addison-Wesley Publishing Company, 1984. I.J.R. Aitchison y A.J.G. Hey, Gauge theories in particle physics, Adam Hilger LTD, Bristol, 1982. B.R. Martin y G. Shaw, Particle physics, John Wiley & Sons, 1992. G.R. Graham, Grand united theories, Addison-Wesley Publishing Company, 1984.

Fayyazuddin y Riazuddin, A modern introduction to particle physics, World Scientific, Singapore 1992. P.D.B. Collins, A.D. Martin y E.J. Squires, Particle physics and cosmology, John Wiley & Sons, 1989.

Introduccion:Fue Demócrito en el año 585 a.C. quien postuló que la toda materia estaba hecha de partículas llamadas átomos (es decir, indivisibles). La primera formulación moderna de la teoría atómica la dio John Dalton en 1808 afirmando que a cada elemento químico le correspondía un tipo particular de átomos; a pesar del avance que esta teoría supuso, para él, los átomos seguían siendo indivisibles. En 1897 J. J. Thompson utilizando un dispositivo para medir la velocidad de los rayos catódicos, para tratar de dilucidar si estos eran una clase de radiación o partículas, llegó a la conclusión de que la velocidad de estos era más o menos de un 10% de la velocidad de la luz y que eran atraídos hacia un electrodo cargado positivamente. Por tanto, concluyó que eran partículas cargadas negativamente a las que llamó electrones. La existencia de dicha partícula que podía extraerse del átomo, implicaba que éste también contenía una región cargada positivamente y, por tanto, implicaba que el átomo no era indivisible y que debía tener una estructura.

En 1900 Planck había establecido un postulado que afirmaba que la energía de radiación emitida por un átomo era un múltiplo entero de una energía fundamental (E = h · , donde E es la energía de la onda, su frecuencia y h la constante de Planck), es decir, que se emitía en pequeños paquetes que él llamó cuantos. Es importante señalar que en aquella época (realmente, desde el siglo XVIII) estaba aceptado que la luz era una onda ordinaria clásica y, a pesar de su descubrimiento, Planck no cuestionó este hecho. En 1905 Albert Einstein sugirió, inspirado en el postulado de Planck, que la luz estaba constituida por corpúsculos en lugar de tratarse de una onda. Estas partículas que componen la luz y las demás radiaciones electromagnéticas se llamaron fotones, de los que obtuvo una prueba directa Arthur Compton en 1923. Esto no suponía en ningún caso abandonar la interpretación de la luz como una onda.

Sobre 1911 la imagen que se tenía del átomo era la de un material positivamente cargado y más o menos difuso en el cual los electrones se hallaban incrustados. Ernest Rutherford, bombardeando átomos con partículas a , y esperando, por la concepción

del átomo que se tenía, que no fueran desviadas las partículas , observó que un número sorprendentemente elevado de estas eran dispersadas 180º. Esto le permitió sugerir que el átomo tiene su masa concentrada en una región central que llamó núcleo que debía tener carga positiva pues repelía a las partículas  que también tenían carga positiva. En 1919 y repitiendo esta experiencia, obtuvo núcleos de hidrógeno, que es el átomo más ligero. Llamó a esta partícula protón y dió la imagen (muy familiar pero totalmente desfasada y falsa en la actualidad) de un átomo como un núcleo pequeño, denso y cargado positivamente, en el que estaba casi toda la masa y alrededor del cual giraban los electrones. Al advertir que la mayoría de los átomos parecían pesar el doble de lo esperado, sugirió en 1920 que el núcleo tenía otro componente no cargado eléctricamente y de masa similar a la del protón. Bautizó a esta partícula como neutrón, pero no fue descubierto hasta 1932 por James Chadwick.

En 1913 Niels Bohr sugirió un nuevo modelo atómico, al darse cuenta de que los electrones en órbita debían emitir luz (debido a las leyes que explican el comportamiento de las partículas eléctricamente cargadas), perder energía y caer sobre su núcleo. Propuso que los electrones giraban alrededor del núcleo a través de órbitas permitidas (el porqué de esta disposición no se aclaró hasta la llegada de la mecánica cuántica, al interpretarse que cada una de las órbitas de Bohr correspondía a un conjunto de cuatro números cuánticos). Esta propuesta llegó mediante la suposición de que las energías de los electrones también están cuantizadas y, por ello, sólo pueden saltar de una órbita a otra emitiendo o absorbiendo energía (fotones) para que la energía se conserve.

Sobre 1925 Louis De Broglie sugirió que si la luz también se comportaba como partículas, ¿por qué no se deberían comportar los electrones también como ondas?. Para ello generalizó la teoría de Planck, y esto le permitió explicar que las órbitas discretas del átomo de Bohr y los estados de energía discretos surgen de la hipótesis de De Broglie sobre la naturaleza ondulatoria de los electrones. Cuando Erwin Schrödinger realizó una nueva estructura atómica de la materia que incorporaba y ampliaba la idea de De Broglie, se aceleraron los experimentos para confirmar la hipótesis de De Broglie. El descubrimiento lo hicieron en 1927 dos grupos de investigadores.

La ruptura total con la física clásica se produjo cuando se tomó conciencia de que no sólo los fotones y los electrones sino todas las partículas y todas las ondas son, una mezcla de onda y partícula. En el mundo macroscópico la componente corpuscular prevelece en el comportamiento, pero en el mundo subatómico ambos aspectos son igualmente significativos y las cosas se comportan de una manera ininteligible desde el punto de vista de nuestra experiencia cotidiana. Por ello hemos comentado que el átomo de Bohr con sus órbitas de electrones es una imagen desfasada y falsa, realmente todas las imágenes son falsas y no podemos establecer una comparación que nos permita entender como funciona el mundo subatómico. A partir de entonces, conviviendo ideas clásicas con nuevos conceptos y viendo que esta convivencia producía resultados pero resultaba insatisfactoria, se hizo un esfuerzo para alcanzar una mayor comprensión del mundo subatómico que desembocó en la formulación de la mecánica cuántica realizada por Schrödinger, Heisenberg, Dirac y otros. Pero esa es otra historia y para el

contenido de esta página no requiere ir más allá. Hemos de señalar que aunque falsa, la imagen del átomo de Bohr tiene conceptos de la mecánica cuántica que se pueden corresponder con esta imagen y que puede resultar útil desde el punto de vista conceptual y la utizaremos aquí.

Por otra parte se conocían desde hace tiempo la fuerzas gravitatoria y electromagnética. La gravedad es una fuerza atractiva que actúa sobre todas las partículas y es la fuerza que cohesiona la materia; es la más débil, con diferencia, de todas las fuerzas y a escala atómica sus efectos son despreciables, por lo que no representa ningún papel en la descripción de los fenómenos atómicos. La ley que describe el comportamiento de la gravedad fue establecida por Newton y revisada por Einstein en su teoría general de la relatividad. El electromagnetismo es una fuerza que actúa sobre las partículas con carga que puede ser atractiva (si las cargas son opuestas) o repulsiva (si las cargas son iguales). Es la fuerza responsable de la ligadura de los átomos debido a la atracción electromagnética entre electrones cargados negativamente y protones cargados positivamente y es mucho más intensa que que la fuerza gravitatoria. En el siglo XIX  la ley de Coulomb ya describía el comportamiento de cargas eléctricas en presencia de otras cargas y la ley de Biot y Savart describía la fuerza que se ejercen dos hilos conductores por los que circulan corrientes eléctricas. En 1820 Oersted probó que las corrientes eléctricas producían efectos magnéticos y en 1831 Faraday probó que los imanes producían efectos eléctricos. En 1864 Maxwell formuló las ecuaciones en las que unió electricidad y magnetismo para establecer lo que hoy llamamos electromagnetismo. En 1928 Paul Dirac combinó el electromagnetismo, la relatividad general y la mecánica cuántica en la llamada electrodinámica cuántica, que permite calcular los efectos que tienen lugar cuando la luz interacciona con la materia. Esta teoría le llevó a postular la existencia de partículas con propiedades idénticas a los electrones pero positivamente cargados. Él los llamó positrones y fueron descubiertos en 1932 por C. D. Anderson. Fue el primer ejemplo de antimateria. Las antipartículas suelen representarse con el mismo símbolo que la partícula y con una barra encima, salvo el positrón que se suele representar como e+. La electrodinámica cuántica (QED, en sus siglas en inglés) ha dado lugar a predicciones extremadamente precisas, que han confirmado su validez.

La repulsión mutua entre las cargas iguales de los protones creaba la paradoja de la existencia del propio núcleo del átomo. Se supuso que debía existir una fuerza extremadamente intensa para vencer esta repulsión electromagnética. Debido a esta intensidad se le llamó fuerza nuclear fuerte. Está comprobado que esta fuerza afecta a los protones y neutrones, pero no a los electrones. Esta fuerza solo actúa a muy pequeñas distancias (del orden de algunos fermi, 1 fermi = 10-13 cm)

En las desintegraciones nucleares con emisión de partículas  y intervienen las fuerzas electromagnética y fuerte. Aunque estas fuerzas controlan casi todos los procesos nucleares hasta hoy observados, no pueden describir la desintegración . Esta tiene lugar cuando un neutrón del núcleo se convierte espontáneamente en un  protón y se emite un electrón que es realmente la radiación (también se emite un antineutrino). La carga eléctrica neta se conserva, pero no el número de electrones, protones y neutrones y estos se conservan cuando actúan las fuerzas electromagnética y fuerte. Se postuló la existencia de una nueva

fuerza responsable de la desintegración llamada fuerza nuclear débil, ya que cuando actúa en este proceso es unas cien mil veces menos intensa que la fuerza nuclear fuerte.

Para finalizar esta introducción, diremos que posteriormente se descubrieron muchas más partículas y se propusieron modelos teóricos para explicar ciertas propiedades de ellas. También, paulatinamente, se postuló que el intercambio de ciertas partículas era el responsable de las cuatro fuerzas citadas. Además se realizaron intentos de construir teorías unificadas que englobaran a varias o todas las fuerzas aquí citadas. Pero todo esto lo veremos en los enlaces correspondientes, tan sólo comentar que todo este proceso desembocó en la creación en el año 1975 del llamado Modelo Estándar que trata de describir los fenómenos asociados al mundo de las partículas y sus interacciones. Este modelo, tal y como se sintetiza en el enlace correspondiente a esquema afirma que toda la materia está constituida de fermiones que se dividen en dos grupos: leptones y quarks; por otra parte considera las cuatro interacciones fundamentales entre fermiones como consecuencia del intercambio de bosones.

Esquema PARTÍCULAS MATERIALES

LEPTONES PARTÍCULA ANTIPARTÍCULA

electrón     e  Positrón   e

muón     

tau    

neutrino-electrón     e

e

neutrino-muón     

neutrino-tau     

QUARKS

Cada quark tiene 3 colores (rojo, azul y verde) y por tanto existen 18 tipos. Análogamente cada antiquark tiene 3 colores (antirojo, antiazul y antiverde)

SABOR ANTIPARTÍCULA

COMPONEN

 LOS

HADRONES

up (arriba)     uu

down (abajo)     dd

strange (extraño)     ss

charmed (encantado)     cc

bottom (fondo) o beauty (belleza)     bb

top (cima) o truth (verdad)     tt

   

PARTÍCULAS VIRTUALES

El intercambio de estas partículas da lugar a las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza   

PARTÍCULAS FUERZA

Gravitón (no detectado, es una partícula teórica) Gravitatoria

FotónElectromagnétic

a

Bosones vectoriales masivos:  W  ,  W  ,  Z 0 Nuclear débil

Gluones (tienen color como los quarks y existen 8) Nuclear fuerte

HADRONESExisten centenares de ellos. Sólo aparecen los más destacados

Que la posición  de la partícula no pueda medirse exactamente. Que la partícula tenga "realmente" una posición y un momento bien definidos, pero que, simplemente no podemos medir

ambos a la vez.  Si fuera posible encontar un fuente cuya energía fuera muy pequeña comparada con la de las partículas elementales,

desaparecería el principio de incertidumbre.

   

Son las partículas que no sienten la fuerza nuclear fuerte. Intervienen en la desintegración lenta y en otras interacciones débiles.

Como ya hemos comentado en la introducción, el electrón fue descubierto por J. J. Thompson en 1897 y por ello recibió el premio Nobel en 1906. También conocemos el siguiente leptón en ser descubierto, el positrón o antipartícula de electrón, que fue postulado, como ya hemos mencionado, por Paul Dirac en 1929 y descubierto por Carl Anderson en 1932, que recibió en 1936 el premio Nobel por este hecho. Además fue el primer ejemplo de antimateria descubierta. Anteriormente ya hemos hablado de la desintegración y se creía que en la desintegración del protón se producían un neutrón y un electrón con lo cual, en esta reacción se cumplía el principio de conservación de la carga eléctrica. Pero los físicos observaron que se violaba el principio de conservación de la energía, ya que constataban que parte de la energía se había perdido. Además las direcciones que el protón y el electrón seguían después de la desintegración del neutrón mostraban un comportamiento extraño.Como los físicos eran recios a creer que el principio de conservación de la energía era violado, Wolfang Pauli postuló en 1931 la existencia de una tercera partícula en la desintegración, que no tiene carga ni masa, pero que se lleva la energía que falta. Esta partícula es el neutrino, que interactúa tan débilmente con la materia que es extremadamente difícil de detectar. Tuvieron que pasar 25 años hasta que en 1956 F. Reines y C. L. Cowan  detectaron el primer neutrino, que en realidad era el antineutrino del electrón, pero en ese momento nada se sabía de la existencia de más tipos de neutrinos. En 1936 Seth Neddermey y Carl Anderson descubrieron una

nueva partícula con una masa de 240 veces la del electrón y con carga positiva (aunque el valor actualmente aceptado es 210); llamaron a esta partícula mesotrón y posteriormente se la llamó meson; en realidad es la que hoy conocemos como antimuón. Casi al mismo tiempo, J. Street y E. Stevenson encontraron la versión negativa de esta partícula, es decir, su antipartícula, que es la que hoy conocemos con el nombre de muón. En 1962 un grupo de físicos estadounidenses demostraron la existencia de dos tipos de neutrino, el neutrino electrón y el neutrino muón. En 1975 Martín Perl descubrió el último leptón, el tau, lo que hizo suponer la existencia de un tercer neutrino, el neutrino tau. Así como el muón parece ser una versión más pesada del electrón, la partícula tau es una versión más pesada de ambos. Finalmente en 2000, mediante el experimento DONUT (Observación Directa del Neutrino Tau, en sus siglas en inglés) se detectó por primera vez un neutrino tau.

Durante mucho tiempo, los físicos pensaron que el neutrino no tenía masa. En 1998 ciertos experimentos confirmaron que el neutrino debe tener masa y, aunque ésta no se conoce con exactitud, algunos resultados sugieren que tiene una masa 200000 veces más pequeña que la del electrón.

Cada neutrino sólo aparece en asociación con su leptón correspondiente, además sólo pueden iniciar reacciones si entra en juego el mismo leptón. Por ello los leptones se presentan siempre en pares (e,e) (,) (,) llamados, respectivamente, primera, segunda y tercera generación de leptones.

Todos los leptones, por tener espín ½ħ, son fermiones, es decir, su comportamineto está regido por la estadística de Fermi-Dirac y obedecen el Principio de Exclusión de Pauli. Las interacciones débiles cumplen una nueva ley de conservación: la ley de conservación del número leptónico en toda interacción de este tipo. La existencia de diferentes tipos de neutrinos llevó a considerar nuevas versiones de esta ley: las leyes de conservación del número electrónico, muónico y tauónico, por separado.

Casi toda la materia del universo, en lo que a leptones se refiere, está hecha de la primera generación de leptones (e,e), los más ligeros, las otras dos generaciones parecen ser réplicas, son inestables y se desintegran rápidamente.

PROPIEDADES

Carga : electrón, muón y tau -1, sus antipartículas 1, neutrino y antineutrinos 0.  Espín : todos los leptones tienen espín ½ħ.  Masa : los neutrinos, como, hemos comentado parecen tener una masa 200000 veces más pequeña que la del electrón. Medidas en

MeV/c2, el electrón tiene una masa de 0'510976, el muón de 105'66 y el tau de 1776'99. Sus antipartículas tienen la misma masa.  Extrañeza : todos los leptones tienen extrañeza 0.  Número bariónico : todos los leptones tienen número bariónico 0. 

Número leptónico : el electrón,  el muón, el tau y sus repectivos neutrinos tienen número leptónico 1. Sus antipartículas -1.  Número electrónico : el electrón y su neutrino 1, sus antipartículas -1 y los restantes leptones 0.  Número muónico : el muón y su neutrino 1, sus antipartículas -1 y los restantes leptones 0.  Número tauónico : el tau y su neutrino 1, sus antipartículas -1 y los restantes leptones 0.  Vida media : el electrón y los neutrinos son estables. La vida media del muón es del orden de 2'197 · 10-6 segundos y la vida media del

tau es del orden de  2´906 · 10-13 segundos.

DESINTEGRACIONESAl ser estables no hay desintegraciones del electrón y los neutrinos.

Muón: → e + antineutrino del electrón +   Tau:  → e + antineutrino del electrón +   ( 17'4%)  ;   →  + antineutrino del muón +   (17'6%)  ;  hay otras más, en las que se

producen hadrones, las más probables son,  →  + ' →  + '

  

En las décadas de los cincuenta y los sesenta, gracias a los aceleradores de alta energía, se descubrieron muchas partículas nuevas que añadieron una creciente complejidad al mundo subnuclear. En 1960 Murray Gell-Mann y Yuval Ne'eman notaron cierta regularidad en estas nuevas partículas y mediante unos diagramas llamados Camino Óctuple (del que se habla con más profusión en el enlace de hadrones) lograron una clasificación que permitió una mejor comprensión, así como predecir con exactitud nuevas partículas que fueron posteriormente descubiertas. Es algo muy similar a lo que logró Mendeleev con su tabla periódica de los elementos en 1869.

Algunos físicos vieron en esto la posible existencia de una estructura más elemental en las partículas nucleares: los quarks. Fueron propuestos independientemente por Gell-Mann (a quien se debe el nombre) y George Zweig (quien los llamó "aces") en 1964. Observaron que los diagramas de clasificación mencionados anteriormente surgían de forma natural si suponían que todas las partículas nucleares (las que hoy se denominan genéricamente hadrones) estaban formadas por tres quarks, los que hoy conocemos como arriba (u), abajo (d) y extraño (s). Los bariones constan de tres quarks y los mesones de un quark y un

antiquark (los antibariones constan de los tres antiquarks correspondientes); algunos bariones y mesones constan de los mismos quarks y sólo se diferencian en la orientación del espín de estos quarks. En esta primera teoría de los quarks ya se incluían propiedades difíciles de asimilar en aquellos momentos, como por ejemplo que los quarks tenían carga fraccionaria. Además, no se habían observado directamente y, aunque como idea teórica funcionaba muy bien, se acogió con cierta precaución. Aún hoy, no se ha detectado ningún quark individual, pero a partir de 1968, en los experimentos de colisiones de electrones de alta energía sobre un protón, las observaciones de la dispersión de los electrones permitieron deducir que el protón estaba formado por entidades de espín ½, como los quarks. Esta prueba sirvió para que fueran aceptados unánimente por la comunidad científica. Murray Gell-Mann recibió 1969 el premio Nobel por su trabajo con estas partículas.

En el enlace correspondiente a leptones hemos comentado que estos siempre se presentan por parejas. Cuando Gell-Mann postuló la existencia de los quarks ya se conocían dos parejas de leptones (el electrón y su neutrino y el muón y su neutrino); por ello, sugirió que un cuarto quark tenía que formar pareja con el quark extraño, pero se abandonó porque no se tenía conocimiento de ningún hadrón que contuviese un quark distinto de los tres mencionados. Esta idea fue seguida por Sheldon Glashow (junto con J. Iliopoulos y L. Maiani), cuando elaboró sus teoría de las interacciones débiles y llamó a esta partícula quark encantado (c). En 1974 el descubrimiento de la partícula J/ formada por un quark y un antiquark encantados, confirmó su existencia. Continuando con la analogía entre leptones y quarks, el descubrimiento del leptón tau y la suposición de un neutrino asociado a él, llevó a postular la existencia de dos nuevos quarks, llamados fondo o verdad (b) y cima o belleza (t). La detección en 1977 del mesón Υb confirmó la existencia del quark fondo. En 1994 se confirmó la existencia del quark cima.

Todos los quarks, por tener espín ½ħ, son fermiones, es decir, su comportamineto está regido por la estadística de Fermi-Dirac y obedecen el Principio de Exclusión de Pauli. La existencia de los quarks s, c, b y t conlleva la introducción de nuevos números cuánticos llamados, respectivamente, extrañeza, encanto, inferioridad y superioridad. La extrañeza de una partícula es igual a -(número de quarks s),el encanto es el número de quarks c, la inferioridad es igual a -(número de quarks b) y la superioridad es el número de quarks t.

Como ya hemos comentado en la página Propiedades, el Principio de Exclusión de Pauli y la existencia de la partícula - = sss, llevó a O. W. Greenberg a proponer en 1964 que cada quark se presentaba en tres variedades distintas llamadas colores, que viene a ser una propiedad muy similar a la carga eléctrica. Las tres variedades de la carga de color (que nada tienen que ver con el color real de las partículas) son: rojo, azul y verde para los quarks y antirrojo, antiazul y antiverde para los antiquarks. Esta idea surgió inmediatamente después de que Gell-Mann propusiera los quarks; como estos tardaron cierto tiempo en ser aceptados, al concepto de carga de color no se le hizo demasiado caso. La evidencia de la existencia de quarks y ciertos experimentos realizados en 1970 y repetidos de manera más rigurosa en 1972, mostraron de manera convincente que la idea del color era correcta. Por tanto, existen 18 quarks y 18 antiquarks distintos. Una vez aceptado el concepto de carga de color, se sugirió que

ésta era la fuente de la fuerza fuerte que sienten los quarks y los hadrones y no los leptones (que no tienen carga de color). Las reglas para obtener hadrones a partir de quarks exigen que cuando se sumen los colores, el color resultante sea blanco (en los bariones uno de cada color y en los mesones un quarks y un antiquark de colores opuestos).

Los quarks permanecen atrapados dentro de las partículas "blancas" y, como hemos dicho, no han sido detectados directamente. Cuando Gell-Mann los propuso se refirió a ellos como entes matemáticos, pues creyó que estarían perfectamente confinados y los distinguió de lo que llamó quarks reales, susceptibles de emerger y ser detectados como entidades singulares. La teoría del confinamiento expone que los quarks forman realmente parte de las partículas, pero postula que hay algo que impide que sean extraídos de estas, es decir, obliga a los quarks a combinarse de manera tal que el conjunto total no tenga color. El aparato matemático de las actuales teorías de las interacciones a altas energías sugiere que los quarks están ligados entre sí de manera parecida a como están ligados los dos extremos de una goma; lo que llamamos quark sería  uno de los extremos de la goma elástica y no podría crearse como un quark fuera de la partícula, pues si se rompiera obtendríamos dos trozos más pequeños, cada uno con dos extremos, interpretado como la producción de un mesón. Esta es la visión que se tiene actualmente de los quarks en el protón, es decir, los quarks tienen total libertad en su interior (se sabe que parecen estar casi libres) pero no pueden escapar. Esta paradoja fue la base de Cromodinámica Cuántica (QDC, en sus siglas en inglés) que postula: a) a altas energías o corta distancia, hay libertad asintótica y la fuerza entre los quarks es muy débil; b) a bajas energías o gran distancia, las fuerzas entre los quarks es muy intensa y estos aparecen confinados.

Al igual que los leptones, los quarks se presentan en pares (u,d) , (c,s) , (b,t), llamados, respectivamente, primera, segunda y tercera generación de quarks. En esto se basa la teoría de las interacciones débil y electromagnética. Es decir, no existen mezclas entre pares en las transiciones.

Casi toda la materia del universo, en lo que quarks se refiere, está hecha de la primera generación de quarks (u,d), los más ligeros, las otras dos generaciones parecen ser réplicas, son inestables y se desintegran rápidamente.

PROPIEDADES

Carga : arriba, encantado y cima 2/3; abajo, extraño y fondo -1/3. Sus antipartículas tienen las misma carga pero con distinto signo.  Espín : todos los quarks y antiquarks tienen espín ½ħ.  Masa (aproximadas, medidas en MeV/c2):arriba 1'5-5; abajo, 3-9; extraño 75-170; encantado 1100-1400; fondo 4100-4400; cima

17500 ± 5100. Sus antipartículas tienen la misma masa.  Número bariónico : todos los quarks tienen número bariónico 1/3. Los antiquarks -1/3.  Números cuánticos: 

o Extrañeza : extraño -1, su antiquark 1 y el resto de quarks y antiquarks 0. o Encanto: encantado 1, su antiquark -1 y el resto de quarks y antiquarks 0. o Superioridad: cima 1, su antiquark -1 y el resto de quarks y antiquarks0. o Inferioridad: fondo -1, su antiquark 1 y el resto de quarks y antiquarks 0. o Isospín : arriba y abajo 1/2, sus antiquarks -1/2 y el resto de quarks y antiquarks 0. La componente z del isopín: arriba 1/2,

abajo -1/2, sus respectivos antiquarks tienen los números opuestos y el resto de quarks y antiquarks 0. Vida media : arriba y abajo son estables. El resto son inestables, pero es difícil calcular su vida media pues están confinados. La única

prueba es que forman hadrones que se desintegran pronto, excepto el quark cima, cuya vida media está estimada en unos 10 -25

segundos, por lo que no tiene tiempo para formar hadrones con otros quarks.

  

En la introducción ya hemos mencionado que Ernest Rutherford descubrió el protón en 1919 y postuló en 1920 la existencia del neutrón que fue descubierto por James Chadwick en 1932. También hemos comentado el proceso de desintegración de neutrón, la desintegración , en la cual un neutrón se convierte en un protón sin que haya sido suministrada ningún tipo de energía mediante no → p+ + e- + antineutrino del electrón, siendo la fuerza nuclear débil la responsable de este proceso. El protón se considera estable, esto significa que su vida media, que se estima en unos 1030 años, es mucho mayor que la edad del universo. Es conveniente mencionar que la fuerza nuclear débil es también la responsable de procesos del tipo p+ → no + e- + antineutrino del electrón, aunque este proceso no puede darse en un protón libre, porque no se conservaría la energía, pero si en un protón que se encuentre dentro de un núcleo atómico. Por otra parte, las Teorías de Gran Unificación de partículas y fuerzas predicen (aunque con una probabilidad muy baja y sólo es de momento, una predicción teórica) que un protón se pueda desintegrar produciendo un positrón (e+) y un mesón (0)

En el enlace correpondiente a partículas virtuales trataremos en profundidad como el Principio de Incertidumbre de Heisenberg fue el que permitió pensar que una fuerza se produce por el intercambio de partículas. Al establecer la electrodinámica cuántica, Dirac consideraba la fuerza electromagnética producida por intercambio de fotones. Esta idea se fue generalizando para todas las fuerzas y en 1934 Hideki Yukawa postuló la existencia de una partícula transmisora de la fuerza fuerte. Como la fuerza fuerte actúa a distancias de algunos fermi al contrario del electromagnetismo que tiene un alcance infinito, Yukawa dedujo que esta partícula debía tener una masa de aproximadamente 1/7 de la del protón, para que la fuerza fuera lo bastante fuerte para vencer la repulsión electromagnética entre protones y mantenerlos unidos en el núcleo. Llamó a esta partícula cuanto U pero hoy se la conoce como mesón pi o pión (lo de mesón es porque su masa es intermedia entre la del protón y la del electrón). Al ser los protadores de la fuerzas entre neutrones y protones, Yukawa afirmó que debían existir tres variedades () dependiendo de la carga que lleven. En aquella época todavía no existían los aceleradores de partículas con energía suficiente, por tanto, se buscaron en los rayos cósmicos (núcleos pesados, protones y electrones que se producen en las estrellas, que son acelerados a altas energías por los campos magnéticos en el espacio y que constantemente llegan a la Tierra) que eran estudiados en una cámara de de niebla. En 1936 Anderson y Neddermeyer detectaron una partícula que parecía ser el pión (lo extraño era que no sentía la fuerza fuerte), pero como vimos en el enlace de leptones esta partícula era el  muón; en 1947 C. F. Powel detectó el pión, en 1948 y  fueron producidos en aceleradores de partículas y en 1950 se descubrio el . Yukawa recibió el premio Nobel en 1949.

A continuación se descubrieron nuevas partículas estudiando en los rayos cósmicos la interacción entre piones y protones y neutrones. Los físicos esperaban que estas partículas se desintegraran rápidamente en piones y protones, sin embargo esto no ocurría, además, siempre se producían a pares. Por estas razones se las llamó partículas extrañas. Las primeras partículas extrañas descubiertas fueron los mesones K o kaones  en 1947 (K+, K, K0 y la antipartícula de éste último). Junto con estos se producen, en las interacciones mencionadas, otras partículas extrañas que son más pesadas que el protón; entre las primeras en ser descubiertas estaban: 0, +, -0, 0 , -(partículas lambda, sigma y xi)

Esta era la situación sobre el año 1956. Al aumentar el numero de partículas resultó necesario clasificarlas. A las partículas que no sienten la fuerza fuerte se las llamó leptones (en esa época se conocían el electrón, su neutrino y el muón) y a las que si la sienten se las llamó hadrones. Estos se clasificaron en mesones (como los piones y los kaones, que tienen espín entero, es decir, son bosones) y bariones (que tienen espín semientero, es decir, son fermiones). Dentro de los bariones están los nucleones (protón y neutrón) y los hiperiones (bariones extraños como las partículas lamda, sigma y xi). Cuando se estableció el modelo de quarks, los mesones eran los formados por un quark y un antiquark, los bariones los formados por tres quarks y las antipartículas de estos las formadas por los tres antiquarks correspondientes.

Para explicar la inesperada existencia de partículas extrañas Gell-Mann y Nishijima introdujeron un nuevo número cuántico: la extrañeza. Sin entrar en detalles, era una propiedad que se debía conservar en las interacciones fuertes con hadrones y que no se conservaba en las interacciones débiles. Asignando valores de extrañeza y postulando su conservación en las interacciones fuertes, explicaron por qué se producían unas reacciones y otras no y predijeron con éxito cuáles se debían o no producir. Hoy en día el número de extrañeza de una partícula viene dado por el número de quarks extraños que contiene.

A finales de la década de los cincuenta y principios de los sesenta se descubrieron nuevos hadrones (+++0-, +*,0* o,  -

*, 0*,-*, ). En ese momento parecía necesaria una clasificación que simplificara la aparente complejidad que la proliferación de partículas había ocasionado. Así lo hicieron en 1961 Gell-Mann y Ne'eman, independientemente, logrando una clasificación con un esquema llamado Camino Óctuple.

CAMINO ÓCTUPLE

No es la intención de esta página dar una descripción exhaustiva del camino óctuple y de la teoría matemática en que se basa (el grupo de Lie SU(3)), aunque si pretendemos dar una visón aproximada del proceso. Consideremos un sistema de coordenadas en cuyo eje vertical situamos la magnitud número bariónico más extrañeza (B +S) y en el eje horizontal la componente z del isospín (Iz). Agrupando los hadrones conocidos hasta ese momento, observaron que podían ser distribuidos en grupos de partículas con el mismo espín, número bariónico, paridad y aproximadamente igual masa y obtuvieron unos diagramas como los que se muestran a continuación:

En ese momento quedaban muchos interrogantes por responder. Entre otras cosas, no se sabía por qué la configuración debía ser con esos números cuánticos y no otros. De todas maneras el modelo funcionaba muy bien y permitió a Gell-Mann postular la existencia de una partícula con carga negativa, extrañeza -3 y de la que dedujo casi exactamente su masa. Esta partícula, que aparece con un interrogante en el diagrama fue descubierta en 1963 y era -. Este hecho permitió establecer la importancia y validez del modelo, independientemente de los interrogantes que planteaba. Fue el establecimiento del modelo de quarks, en primer lugar y el descubrimiento de centenares de partículas, después, lo que permitió desvalar los misterios que el propio modelo planteaba.

Ya sademos que en la teoría original utilizaron 3 tipos de quarks: arriba (u), abajo (d) y extraño (s). Formando todos los grupos posibles de tres quarks cuyo resultado sea una carga eléctrica entera, se obtienen los diez bariones del tercer dibujo de la figura anterior. Si además exigimos que al menos un quark sea distinto de los otros dos, obtenemos los ocho bariones del segundo dibujo. Si los ordenamos verticalmente por el número de quarks extraños (cada quark extraño aporta -1 a la extrañeza) y oblicuamente por el número de quarks arriba, obtenemos los modelos de quarks para bariones que aparecen en el la página Esquema. Además si repetimos lo mismo con los antiquarks correspondientes obtenemos el modelo para los antibariones. Si, en cambio, formamos todos los grupos posibles de quark y antiquark cuyo resultado sea una carga eléctrica entera, obtenemos nueve agrupaciones posibles, ocho de las cuales se corresponden con los mesones del primer dibujo. Posteriormente se descubrió un noveno mesón (') que si bien rompe la similitud del diagrama de mesones con el del grupo de ocho bariones, cuadra perfectamente con los grupos de nueve mesones que predice el modelo de quarks. Si dibujamos un triángulo de quarks u, d y s y luego, en cada vértice de este triángulo, un triángulo de los antiquarks correspondientes,obtenemos el modelo de quarks para mesones que aparece en la página Esquema.

Es interesante señalar que este modelo de quarks, como ya hemos comentado, no tenía repuestas para todas las preguntas (especialmente a la de por qué debía ser así), pero la verdad es que funcionaba. En los últimos años de la década de los sesenta, se obtuvieron predicciones correctas con este modelo al parecer carente de fundamento. Posteriormente los experimentos de los años 70 dieron un aldabonazo definitivo a la hipótesis de los quarks. 

Los movimientos orbitales de los electrones y la orientación del espín de los electrones en el átomo o de los protones y neutrones en el núcleo dan lugar a estados excitados de átomos y núcleos. Por este hecho se esperaba que, al estar los hadrones compuestos de quarks, se observara algo similar. Considerando sólo el espín de cada quark se obtenían las partículas que hemos descrito, es decir, mesones de espín 0 y dos grupos de bariones de espín 1/2 y 3/2. Si se consideraba también el movimiento orbital de cada quark, mayor era el espín total del hadrón (omitimos la reglas para sumar espín, bien establecidas por la mecánica cuántica). Cuanto más rápido es este movimiento orbital, mayor es la energía y, por tanto, la masa del hadrón resultante. Y esto es justamente lo que ocurrió; en los años siguientes y , hasta hoy, se han descubierto centenares de hadrones

que cumplen esto. No es el propósito de esta página intentar resumir las propiedades de todos ellos, lo cual por otra parte, resultaría casi imposible. Lo único que puede ser importante es que todos ellos se adaptan perfectamente a los diagramas del Cámino Óctuple.

Todos los hadrones descubiertos (excepto el protón y el neutrón) tienen un vida media que oscila entre los 10-23  y 10-8 segundos. Los más importantes descubrimientos de hadrones después de los comentados anteriormente, han sido: el mesón J/o  como se le conoce en la actualidad) que en 1974 confirmó la existencia del quark encantado, el mesón Υb que en 1977 confirmó la existencia del quark fondo.