Partículas elementales y Modelo estándar.

PARTICULAS ELEMENTALES

Desde hace mucho tiempo se buscó cual era el componente mínimo de la

materia. Demócrito fue el primero en sugerir que todas las cosas deberían de

estar echas de partículas indivisibles a las que denominó átomos.

Cientos de años después Dalton propuso un modelo atómico (en 1808) y a partir

de ese instante se creyó que no habría algo más pequeño que constituyera a la

materia; pero en 1897 llegó Thomson para descubrir el electrón.

Posteriormente la teoría del núcleo del átomo y el descubrimiento del neutrón

dejaron en claro que existían partículas más pequeñas que formaban a los

átomos; además todas con características distintas.

Y por un momento se pensó que se habían encontrado las partículas elementales,

las cuáles eran: protones, neutrones, electrones y fotones; sin embargo volvieron

a aparecer nuevas partículas como el positron, antielectrón, muon, pion y se

comenzaron a predecir muchas otras.

A partir de ese momento, aproximadamente 1950, se han invertido grandes

cantidades de dinero para construir aceleradores de partículas con el fin de

encontrar algunas de las partículas que se predijeron. Estas partículas llegan a

tener tiempos de vida extremadamente cortos, 10-23 segundos, por lo que sólo se

pueden detectar de forma indirecta.

Para hacer un poco más difícil el estudio de las partículas, no basta con conocer

las propiedades “comunes” como la masa, carga y el spin sino que se agregaron

nuevas propiedades, las cuales se denominan strangeness, charm, color,

topness y bottomness.

Debido al descubrimiento de tantas partículas se buscó hacer un modelo

estándar, en el cuál toda la materia se considera que está formada por dos

familias de partículas elementales: los quarks y leptons.

Todas las fuerzas del universo se pueden explicar mediante 4 interacciones:

Nuclear fuerte, electromagnética, nuclear débil y gravitacional.

Las partículas que se forman mediante fuertes interacciones tienen un tiempo de

vida de 10-23s, las que se forman mediante interacciones débiles viven 10-10s.

Todas las partículas que interactuan fuertemente son llamadas hadrones. Hay

dos tipos de hadrones los baryones (que tienen un ”spin” de 1/2 o 3/2 o 5/2,

etc.) y los mesones (que tienen “spin” cero o integral). Los baryones son las

partículas más masivas; por otro lado los mesones tienen masas intermedias

entre la masa del electrón y la del protón.

Los hadrones son partículas muy complejas que no pueden recibir el título de

partículas elementales, pues ahora se cree que todos los hadrones están

compuestos por entidades llamadas quarks, que son realmente las partículas

elementales.

Las partículas que participan en las interacciones débiles se llaman leptones. La

palabra leptón significa “partícula ligera” y hace referencia a la poca cantidad de

masa que contienen. La excepción a la regla es el leptón tau, que pesa cerca del

doble de la masa de un protón. Hasta ahora, los leptones son partículas punto, sin

estructura y que pueden ser consideradas realmente partículas elementales en el

sentido de no estar compuestas por otras partículas.

Existen seis leptones: el electrón, electrón neutrino; el muón, muón neutrino; tau

y el tau neutrino. Cada uno de los leptones tiene una antipartícula. Antes se

pensaba que los neutrinos no poseían masa, sin embargo se ha descubierto que

contienen una pequeña cantidad de ella. Además los neutrinos pueden oscilar de

un tipo a otro. Las partículas nunca se crean solas, sino en pares formados por

partícula-antipartícula.

Como ya mencionamos, los Leptones parecen ser partículas elementales; por

otro lado los hadrones están formados por quarks. Este modelo se propuso en

1963 por M.Gell-Mann y G. Zweig donde se proponía la existencia de 3 quarks.

El día de hoy se conocen 6 quarks con las mismas propiedades:

Cargas fraccionales del electrón, giro, número bariónico, extrañeza,

encanto, altura y profundidad.

Los seis quarks son: u (up), d (down) , s (strange), c(charmed), t(top) y b

(bottomness).

Cada quark tiene un antiquark con opuesta carga eléctrica, número barónico y

extrañeza. Algunos ejemplos de las partículas que se forman con los quarks son:

Los baryones formados por 3 quarks (o 3 antiquarks); mesones que consisten de

un quark y un antiquark; el protón que se da con la combinación uud , mientras

el neutrón está formado por la combinación udd.

Lo más impresionante de ésta teoría es que todas las combinaciones permitidas

de 3 quarks o los pares de quark-antiquark resultan ser lo que llamamos

hadrones.

Los seis quarks y los seis leptones (con sus antipartículas) son considerados las

partículas fundamentales con las cuáles está formada toda la materia. Fuerte

evidencia para la existencia de quarks en el núcleo se ha encontrado mediante

experimentos conocidos como dispersión elástica profunda. Los experimentos

consisten en bombardear el núcleo con electrones, muones y neutrinos;

analizando las partículas esparcidas en ángulos extensos se indica que dentro del

núcleo deben existir partículas de tamaño diminuto con un giro de -1/2.

A pesar de todo el esfuerzo que se ha hecho experimentalmente, nunca se ha

visto un quark aislado. Además se cree que es imposible encontrar a un quark

solo, pues se cree que la energía potencial de dos quarks incrementa mientras

aumenta la distancia de separación entre ellos; por ello se necesitaría una

cantidad de energía infinita para mantener a los quarks totalmente separados.

Dicha afirmación es contraria a todas las fuerzas fundamentales (Nuclear fuerte,

electromagnética, nuclear débil y gravitacional).

Además de las partículas fundamentales, existen partículas de campo, las cuales

están asociadas con las fuerzas que ejerce una partícula sobre la otra. En

electrodinámica cuántica, el campo electromagnético de una partícula cargada se

describe mediante fotones virtuales que son emitidos y absorbidos

continuamente por la partícula. Los fotones son el medio que permite la

interacción electromagnética. Y cada una de las cuatro interacciones básicas se

puede describir mediante el uso de partículas de campo.

El campo cuántico que no se ha encontrado por ahora es el de la interacción

gravitacional; se le ha dado el nombre de gravitrón. La carga gravitacional

análoga a la carga eléctrica sería la masa (de ahí la importancia de encontrar este

elemento).

La interacción débil se está dada mediante 3 partículas de campo llamadas

bossones vector (W+,W- y Z0). Los cuales fueron predecidos por Glashow, Abdus

Salam y Steven Weinberg en la teoría electromagnética débil.

La partícula de campo asociada con la fuerte interacción entre quarks se llama

gluones. Los cuáles se clasifican en rojo, verde y azul de ahí su nombre: cargas

de color. La teoría de campo para fuertes interacciones se llama cromodinámica

cuántica.

EL MODELO ESTANDAR

A la combinación del modelo de quarks, la teoría electro débil y a la

cromodinámica cuántica se le llama el modelo estándar. En éste modelo las

partículas fundamentales son los quarks y los leptones; los transportadores de la

fuerza son el fotón, las partículas W+/- y Z0, y los gluones. Los leptones y los

quarks tienen un giro de -1/2 como lo dice el principio de exclusión de Pauli; por

otro lado los transportadores de las fuerzas son bosones de giro integral. Cada

fuerza de la naturaleza está dada por cuatro interacciones: fuerte,

electromagnética, débil y gravitacional.

La carga eléctrica es la responsable de la interacción electromagnética; la carga

débil (sabor) se lleva por los quarks y los leptones; la fuerte (color) por los

quarks y gluones; y la carga asociada con la fuerza gravitacional, es la masa.

Para cada una de las partículas hay una antipartícula, y esta última tiene a misma

masa y el mismo giro pero carga diferente. La fuerza de atracción entre los

quarks aumenta siempre ente más distancia los separe, por lo que se necesitaría

energía infinita para separarlos por completo.

Bibliografía:

Paul A. Tipler, Gene Mosca; PHYSICS FOR SCIENTISTS AND ENGINEERS; 5a

edición; editorial Freeman; EUA; 2004.

Young and Freedman; UNIVERSITY PHYSICS (with modern physics); editorial

Pearson; 12ª edición; San Francisco Ca. 2007.