Con estas páginas quiero esclarecer algunos conceptos de la Teoría de las Partículas Elementales, la idea surgió debido a que no existían muchos textos adecuados en castellano, y a la cantidad de desconocimiento que existe entre los interesados al hablar de quarks, fuerzas fundamentales, unificación,...

Se tratará la Teoría de las Partículas Elementales sin fórmulas matemáticas, sino más bien explicando el desarrollo histórico que se ha ido dando en esta teoría. Por ello, este texto no está orientado a ti si ya sabes lo que la electrodinámica cuántica, o la cromodinámica cuántica son; más bien está pensado para aquellos que recuerdan que la materia está formada por átomos, y lo recuerdan como algo muy lejano que fue necesario estudiar, y ahora quieres saber qué es un quark y de dónde surgieron, o a cuáles se las llaman las interacciones fundamentales.

Cada sustancia del universo, las piedras, el mar, nosotros mismos, los planetas y hasta las estrellas más lejanas, está enteramente formada por pequeñas partículas, que se pensaban que eran indivisibles, llamadas átomos. Son tan pequeñas que no son posible fotografiarlas. Para hacernos una idea de su tamaño, un punto de esta línea puede contener dos mil millones de átomos.

Por tanto, al adentrarnos en la materia nos damos cuenta de que está formada por átomos. Para comprender estos átomos, a lo largo de la historia diferentes científicos han enunciado una serie de teorías que nos ayudan a entender la complejidad de estas partículas.

A finales del siglo XVIII se descubren un gran número de elementos, pero éste no es el avance más notable sino que se produce cuando Lavoisier da una interpretación correcta al fenómeno de la combustión, indicando que se producía una unión con átmos de oxígeno.

Ya en el siglo XIX se establecen diferentes leyes de la combinación para formar sustancias y compuestos químicos , esto unido a la clasificación periódica de los elementos (1871) potencia el estudio de la constitución de los átomos. Es decir qué son y qué propiedades tienen. Todas estas leyes supusieron encontrar nuevas explicaciones a cómo la materia estaba constituida. Estas explicaciones son las que se van a ir indicando.

El químico y físico británico, John Dalton (1766-1844) creó una importante teoría atómica de la materia. En 1803 formuló la ley que lleva su nombre y que resume las leyes cuantitativas de la química (ley de la conservación de la masa, realizada por Lavoisier; ley de las proporciones definidas, realizada por Louis Proust; ley de las proporciones múltiples, realizada por él mismo). Su teoría, para explicar estas leyes que se cumplen en las reacciones químicas entonces conocidas, se puede resumir en:

Para Dalton los átomos son esferitas sólidas que se unían para formar moléculas. Esto quería decir que un átomo de oxígeno más un átomo de hidrógeno daba un átomo o molécula de agua. La formación de agua a partir de oxígeno e hidrógeno supone la combinación de átomos de estos elementos para formar "moléculas" de agua. Dalton, equivocadamente, supuso que la molécula de agua contenía un átomo de oxígeno y otro de hidrógeno.

A mediados del siglo XIX, unos años después de que Dalton enunciara su teoría, se desencadenó una serie de acontecimientos que fueron introduciendo modificaciones al modelo atómico inicial. De hecho, el mundo atómico es tan infinitamente pequeño para nosotros que resulta muy difícil su conocimiento. Nos hallamos frente a él como si estuviésemos delante de una caja cerrada que no se pudiese abrir. Para conocer su contenido solamente podríamos proceder a manipular la caja (moverla en distintas direcciones, escuchar el ruido, pesarla...) y formular un modelo de acuerdo con nuestra experiencia. Este modelo sería válido hasta que nuevas experiencias nos indujeran a cambiarlo por otro. De la misma manera se ha ido construyendo el modelo atómico actual; de Dalton hasta nuestros días se han ido sucediendo diferentes experiencias que han llevado a la formulación de una serie de modelos invalidados sucesivamente a la luz de nuevos acontecimientos.

Thomson, sir Joseph John (1856-1940), físico británico, estableció otra teoría que respondía a las nuevas propiedades que se estaban encontrando en la materia, en concreto las propiedades eléctricas. Según el modelo atómico de Thomson el átomo consistía en una esfera uniforme de materia cargada positivamente en la que se hallaban incrustados los electrones, unas partículas que surgen de los tubos catódicos y que tienen carga eléctrica negativa, de un modo parecido a como lo están las semillas en una sandía. Este sencillo modelo explicaba el hecho de que la materia fuese eléctricamente neutra, pues en los átomos de Thomson la carga positiva era neutralizada por la negativa. Además los electrones podrían ser arrancados de la esfera si la energía en juego era suficientemente importante como sucedía en los tubos de descarga.

Sir Ernest Rutherford (1871-1937), famoso hombre de ciencia inglés que obtuvo el premio Nobel de química en 1919, realizó en 1911 una experiencia que supuso en paso adelante muy importante en el conocimiento del átomo.

La experiencia de Rutherford consistió en bombardear con partículas alfa una finísima lámina de oro. Las partículas alfa (que, aunque no lo sabía no son más que núcleos de Helio, es decir dos protones y dos neutrones unidos) atravesaban la lámina de oro y eran recogidas sobre una pantalla de sulfuro de cinc. La importancia del experimento estuvo en que mientras la mayoría de partículas atravesaban la lámina sin desviarse o siendo desviadas solamente en pequeños ángulos, unas cuantas partículas eran dispersadas a ángulos grandes hasta 180º. El hecho de que sólo unas pocas radiaciones sufriesen desviaciones hizo suponer que las cargas positivas que las desviaban estaban concentradas dentro de los átomos ocupando un espacio muy pequeño en comparación a todo el tamaño atómico; esta parte del átomo con carga eléctrica positiva fue llamado núcleo.

Rutherford poseía información sobre el tamaño, masa y carga del núcleo, pero no tenía información alguna acerca de la distribución o posición de los electrones. En el modelo de Rutherford, el núcleo era el responsable de casi toda la masa del átomo y los electrones se movían alrededor del núcleo como los planetas alrededor del sol. Los electrones no caían en el núcleo, ya que la fuerza de atracción electrostática era contrarrestada por la tendencia del electrón a continuar moviéndose en línea recta, es decir la fuerza centrífuga debida a su movimiento circular. Este modelo fue satisfactorio hasta que se observó que estaba en contradicción con una información ya conocida en aquel momento: de acuerdo con las leyes del electromagnetismo, un electrón o todo objeto eléctricamente cargado que es acelerado o cuya dirección lineal es modificada, emite o absorbe radiación electromagnética.

El electrón del átomo de Rurherford modificaba su dirección lineal continuamente, ya que seguía una trayectoria circular. Por lo tanto, debería emitir radiación electromagnética y esta radiación causaría la disminución de la energía del electrón, que en consecuencia debería describir una trayectoria en espiral hasta caer en el núcleo.

Esta contradicción en el modelo de Rutherford fue el germen para que, unos años más tarde, Niels Bohr (1885-1962), un físico danés, estableciera un nuevo modelo atómico. En el modelo atómico de Bohr se aplica por primera vez la hipótesis cuántica a la estructura atómica, a la vez que buscó una explicación a los espectros discontinuos de la luz emitida por los elementos gaseosos.

Este modelo implicaba los siguientes postulados:

 

1. El electrón tenía ciertos estados definidos estacionarios de movimiento (niveles de energía) que le eran permitidos; cada uno de estos estados estacionarios tenía una energía fija y definida.
2. Cuando un electrón estaba en uno de estos estados no irradiaba pero cuando cambiaba de estado absorbía o desprendía energía.
3. En cualquiera de estos estados, el electrón se movía siguiendo una órbita circular alrededor del núcleo.
4. Los estados de movimiento electrónico permitidos eran aquellos en los cuales el momento angular del electrón (m · v · r) era un múltiplo entero de h/2 · 3.14.

    

Vemos pues que Bohr aplicaba la hipótesis cuántica de Planck en 1900. Esta hipótesis cuántica nació para explicar la teoría ondulatoria electromagnética de la luz y se basa en suponer que un sistema mecánico no podía tener cualquier valor de la energía, sino solamente ciertos valores.

Aplicando esta hipótesis a la estructura electrónica de los átomos se resolvía la dificultad que presentaba el átomo de Rutherford. El electrón, al girar alrededor del núcleo, no iba perdiendo la energía, sino que se situaba en unos estados estacionarios de movimiento que tenían una energía fija. Un electrón sólo perdía o ganaba energía cuando saltaba de un estado (nivel) a otro. En condiciones normales los electrones de un átomo o ion se sitúan en los niveles de más baja energía. Cuando un átomo recibe suficiente energía, es posible que un electrón salte a un nivel superior a aquel en que se halla. Este proceso se llama excitación. Un electrón excitado se halla en un estado inestable y desciende a un nivel inferior, emitiendo una radiación cuya energía será igual a la diferencia de la que tienen los dos niveles.

El modelo de Bohr era muy similar al de Rutherford, pero conseguía salvar la inestabilidad recurriendo a la noción de cuantificación y junto con ella a la idea de que la física de los átomos debía ser diferente de la física clásica.

Hasta 1932 las únicas partículas subatómicas que se conocían eran las partículas alfa, el electrón y los protones (que estaban en el núcleo y tenían carga eléctrica positiva), pero en dicho año el físico inglés J. Chadwick descubrió el neutrón, y enseguida se vio que junto al protón constituyen los dos componentes esenciales del núcleo. Al protón y al neutrón se les llama nucleones y forman todos los núcleos de todos los elementos que se conocen, salvo el del hidrógeno, que está formado por un único protón.

Los elementos cuyos núcleos están formados por el mismo número de protones (número atómico o Z) son indistinguibles desde el punto de vista químico. Es decir, son el mismo elemento. A elementos iguales con diferente número de neutrones se les llaman isótopos, y al número de protones y de neutrones que tiene un núcleo se la llama número másico o A. Para los núcleos ligeros ocurre que el número de protones y de neutrones es el mismo, es decir A = 2 * Z, pero a medida que los núcleos son más pesados el número de neutrones aumenta más rápidamente que el de protones, A > 2 * Z. Estudiando los números atómicos y másico de cada núcleo conocido se encuentra una curva que define los núcleos estables, por el contrario aquéllos con un exceso o defecto de protones presentan una desintegración natural o radiactividad.

Fue a partir de entonces cuando, para asombro de los físicos, apareció una avalancha de nuevas partículas: en 1928 Dirac había elaborado una teoría del electrón que vaticinaba la existencia de un electrón de carga positiva al que llamó positrón, éste fue descubierto por Anderson en 1932; en 1930, Pauli había señalado la necesidad de introducir una nueva partícula indistinguible, el neutrino, para mantener la conservación del momento lineal, ésta fue confirmada por Fermi en 1934; en 1934, y puesta de manifiesto empíricamente por Cowan y Reines en 1955; en 1935, estudiando la radiación cósmica encontró otra partícula, el mesón, con masa intermedia entre el electrón y el protón; A. Duperier, Lattes y muchos físicos más analizando los rayos cósmicos encontraron una gran variedad de nuevas partículas inestables y con vidas muy efímeras.

Podemos definir las partículas elementales como aquellas cuya estructura interna no podía ser descrita (en el estado actual del conocimiento) como una simple combinación de otras partículas.

Al introducir el estado de conocimiento que se tiene del mundo subatómico en la definición de las partículas elementales, hemos de tener en cuenta que éstas, al variar lo que sabemos del mundo atómico, cambian. Podemos, de hecho, distinguir (muy arbitrariamente) cuatro etapas en la historia de las partículas elementales.

En la primera de ellas, que terminó en 1932, seis partículas elementales fueron descubiertas, que son: el fotón, el electrón, el protón, el neutrón, el positrón y el neutrino (aunque el descubrimiento de éste último era sólo teóricamente).

La segunda etapa en la Física de las Partículas Elementales comenzó en 1935 cuando quedó claro que las partículas existentes no eran suficientes para explicar la naturaleza de las fuerzas nucleares, en concreto cómo coexistían los protones en el núcleo si debido a la carga eléctrica positiva que poseían debían repelerse (lo cual se explica introduciendo una nueva fuerza, la fuerza nuclear fuerte) y fenómenos derivados de la desintegración de núcleos, es decir la radiactividad natural y artificial (para ello se introdujo otra nueva fuerza llamada fuerza nuclear débil). La idea cuántica de una fuerza es suponer que, igual que dos esquiadores que se lanzan pelotas de nieve uno a otro se repelen, si decimos que entre dos partículas existe una fuerza, significa que existe un intercambio de partículas. Este razonamiento une la física de las Partículas con las fuerzas, interacciones o campos elementales. Además, durante este periodo se descubrieron nuevas partículas como son: los muones (1938) y los mesones (en 1947 los mesones cargados y en 1950 el mesón neutro).

La tercera fase comprende un vasto espacio de tiempo (1949-1964), a lo largo del cual extrañas partículas inestables fueron descubiertas, la existencia del neutrino electrónico y el neutrino muónico fueron confirmada experimentalmente. Muchas de estas partículas no existen en nuestro mundo observable ya que son muy inestables y tienen una vida media muy corta transmutándose en otras partículas pasado un tiempo, por eso se han encontrado únicamente en colisiones realizadas artificialmente (por ejemplo bombardeando núcleos con haces de neutrones que se les ha comunicado una gran velocidad con un acelerador) o también explorando la radiación cósmica procedente del espacio exterior.

Antes de comentar la cuarta etapa en la investigación de las partículas elementales, vamos a realizar una ordenación de las partículas existentes en aquellos momentos.

Las partículas elementales se subdividen comúnmente en cuatro tipos. A uno de ellos pertenece una sola partícula: el fotón. El segundo tipo le forman los leptones, el tercero los mesones, y finalmente, el cuarto tipo, los bariones. Los mesones y los bariones se unen usualmente en un tipo de partículas de interacción fuerte denominadas hadrones.

A continuación daremos una breve descripción de los tipos de partículas enumerados.

 

1. Los fotones (partículas o cuantos responsables del campo electromagnético), participan en las interacciones electromagnéticas, pero no poseen interacciones nuclerares fuertes ni débiles.
2. Los leptones recibieron su nombre de la palabra griega leptos, que significa ligeros. A estos pertenecen las partículas que no poseen interacción fuerte: los muones, los electrones, los neutrinos electrónicos, y las correspondientes antipartículas para cada una de estas partículas. Todos los leptones tienen un espín igual a 1/2 y por consiguiente, son fermiones (partículas de espín semientero que no pueden encontrarse en el mismo estado con los mismos números cuánticos) y poseen interacción débil. Aquellos que tienen carga eléctrica (o sea, los muones y los electrones) poseen también interacción electromagnética.
3. Los mesones son partículas inestables de interacción fuerte que carecen de la llamada carga bariónica. A este grupo pertenece los mesones pi o piones, los mesones K o kaones y el mesón eta. A diferencia de los leptones, los mesones poseen no sólo interacción débil (y electromagnética, si están cargados), sino también fuerte, la que se manifiesta durante la interacción de éstos entre sí y también con los bariones para formar hadrones. El espín de todos los mesones es igual a cero, de manera que todos ellos son bosones, que contrariamente a los fermiones, pueden acumularse en un estado.
4. Los bariones agrupan a los nucleones (protón, neutrón) y unas partículas inestables, que poseen mayor masa que la de los nucleones, denominados hiperones. Todos los bariones poseen interacción fuerte y, por consiguiente interaccionan activamente con los núcleos atómicos. El espín de todos los bariones es igual a 1/2, de forma que los mismos son fermiones. Salvo el protón todos los bariones son inestables. Desintegrándose junto con otras partículas dan obligatoriamente un barión.

    

Finalmente, realizado el estudio de las partículas existentes, indiquemos que la cuarta etapa en la investigación de las partículas elementales comenzó incluso antes de la finalización de la tercera (1961) y continua hasta nuestros días.

Se han acumulado tantas partículas llamadas elementales que han surgido serias dudas sobre su elementalidad. Con relación a esto, surgió la hipótesis de que todas las partículas están compuestas por tres partículas fundamentales, portadora de unas cargas que, combinadas pudieran responder a las de las partículas existentes. El primer modelo de esta clase fue propuesto por el físico japonés S. Sakata, el que consideraba como partículas fundamentales el protón, el neutrón y el hiperón. Esta última es una nueva partícula que fue predicha considerando las simetrías que se daban al ordenar las partículas subatómicas existentes entonces en diagramas bidimensionales con dos propiedades (o números cuánticos) de estas, así se llegó a la conclusión de que entre los grupos de partículas conocidas como hadrones (es decir uniones de mesones y bariones) se daba la simetría del octeto o simetría SU(3). Sin embargo, el esquema de Sakata resultó inaplicable al campo de las interacciones fuertes.

En el año 1963 Gell-Mann e independientemente el físico suizo Zweig propusieron una hipótesis, según la cual todas las partículas elementales están constituidas por tres partículas denominadas quarks, llegaron a esta conclusión teniendo en cuenta que la más simple representación de la simetría del grupo SU(3) se consigue con un triplete. A éstos se les asignan números cuánticos fraccionarios, en particular una carga eléctrica igual a +2/3, -1/3, +1/3 respectivamente para cada uno de los tres quarks. Éstos se representan por las letras u (de la palabra inglesa up, que significa hacia arriba), d (down, que significa hacia abajo), y s (strange, extraño o sideways que significa lateral). Aparte de estos tres quarks, cada uno de ellos lleva asociado su antiquark correspondiente.

Como hemos visto, el estudio de los componentes de la materia nos ha llevado también a introducir dos nuevas fuerzas en el campo de la Física. Hasta entonces, todo podía explicarse gracias al campo gravitatorio y al campo electromagnético, actualmente se consideran cuatro interacciones o fuerzas fundamentales, las cuales en orden descendente en intensidad son: fuerza nuclear fuerte, fuerza electromagnética, fuerza nuclear débil y fuerza gravitacional.

Para tener una idea de la magnitud relativa de estas fuerzas, supongamos que en una escala de intensidades, en la que la fuerza gravitatoria tuviese magnitud 1, la fuerza débil tendría un valor de 10⁺³⁴ (un uno seguido de 34 ceros), la fuerza electromagnética tendría un valor de 10⁺³⁷ (un uno seguido de 37 ceros) y la fuerza fuerte tendría un valor de 10⁺³⁹ (un uno seguido de 39 ceros).

Igual que con las partículas, una fuerza es considerada como fundamental en función de lo que se conoce en ese momento. De esa manera puede entenderse cómo la unificación de las fuerzas eléctricas y magnéticas llevada a cabo por Maxwell redujo dos fuerzas (magnética y eléctrica) en una sola interacción: el campo electromagnético.

Para clarificar el ámbito de las fuerzas fundamentales mencionare el alcance de cada fuerza. La fuerza fuerte es la responsable de que los protones y los neutrones se mantengan unidos dentro del núcleo. Si no fuera por el dominio que ejerce la fuerza fuerte, la repulsión entre los protones haría inestable el núcleo; los protones se dispersarían y el núcleo no podría existir, por tanto su alcance es muy pequeño (10^-15 m). La fuerza fuerte o nuclear fuerte tiene un rango de acción ligeramente menor que el tamaño del núcleo, esto es: actúa solo sobre las partículas más vecinas. La fuerza electromagnética afecta a todas las partículas que poseen carga eléctrica y su alcance es infinito, la constante de interacción de esta fuerza es un número adimensional denominado constante de la estructura fina (de valor aproximado 1/137). Por su lado, la fuerza débil o nuclear débil actúa entre partículas elementales y es responsable de algunas reacciones nucleares. Por ejemplo, en la desintegración radiactiva de los núcleos que provoca su escisión en varios fragmentos, además la fuerza nuclear débil es importante en la velocidad de reacción de algunas reacciones nucleares que ocurren en estrellas como el sol (de hecho la vida media del sol está determinada por las características de esta fuerza), y en todos los procesos de interacción entre los neutrinos y la materia. Es una fuerza de corto alcance, 10^-16m. Por último la fuerza gravitatoria es universal, a ella se someten todas las partículas elementales sin excepción, sin embargo debido a su poca magnitud no juega un papel importante en el micromundo.

Cuando se empieza a hablar de las fuerzas fundamentales es obligado hablar también de su unificación.

Newton en 1686 mostró que la gravedad celeste y la terrestre podían considerarse dentro de una misma teoría: la gravitación universal. Ésta fue la primera unificación. Newton explico cómo se comportan los cuerpos ante la gravedad, pero fue Einstein el primero que propuso un modelo teórico para explicar el origen de la gravedad. En la teoría de la relatividad general, las partículas siguen trayectorias rectilíneas siempre, de tal manera que la gravedad o campo gravitatorio, según el cual las partículas masivas "tuercen" su trayectoria es una consecuencia de la deformación del espacio-tiempo causada por la masa.

Aunque fueron Faraday y Oersted los primeros que observaron la relación de los fenómenos eléctricos y magnéticos, fue Maxwell quien en 1864 le dio una estructura formal a lo que ahora se conoce como teoría electromagnética. Ésta fue la segunda unificación. Existe una interesante simetría en las ecuaciones de Maxwell la cual sugiere que el hecho de la existencia de cargas eléctricas, "obliga" también la existencia de cargas magnéticas, es decir la carga eléctrica es a la vez responsable de los campos eléctricos y los campos magnéticos. Hay incluso varias investigaciones documentadas relacionadas con la búsqueda de estas cargas magnéticas, las cuales se denominan "el monopolo magnético."

Alrededor de 1968, Weinberg y Salam trabajando independientemente, mostraron la conexión que subyace entre la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil. Esta tercer unificación dio lugar a la llamada fuerza electrodébil. Este enfoque se consiguió con la llamada Teoría Cuántica de Campos, que aplicada a las interacciones electromagnética y débil se denomina electrodinámica cuántica, en ella, tal y como se ha comentado anteriormente, se considera una interacción entre dos partículas como un intercambio de unas partículas especiales llamadas partículas o portadores de fuerza. Estas partículas de fuerza son bosones y podemos decir que la interacción electromagnética depende del intercambio de fotones, mientras que en la fuerza nuclear débil interviene el intercambio de dos tipos de bosones muy masivos llamados W y Z. Para la fuerza nuclear fuerte se postuló la existencia de una portador que actúa a un nivel más profundo, son los gluones, unos bosones que no tienen masa. La interacción fuerte queda así explicada con la teoría de la Cromodinámica Cuántica.

Debido a que la formulación de la Cromodinámica Cuántica y de la ElectroDinámica Cuántica es, en esencia la misma, parece plausible pensar que puede existir alguna unificación entre ambas, aunque de hecho aún no se ha encontrado.

De las cuatro fuerzas fundamentales, tenemos tres (que podrían ser dos si la unificación de la Teoría Cuántica de Campo y la Cromodinámica Cuántica se diera), de esta tres, aún no hemos podido saber si son la misma fuerza o tienen características diferentes. De ellas, la más complicada de introducir es la gravedad. Recordemos que el campo gravitatorio no se basa en el intercambio de partículas sino en la deformación del espaciotiempo; de todas maneras existen teorías cuánticas que pretenden unificar la gravedad postulando la partícula de intercambio, que aunque no está descubierta, se denominaría el gravitón.

Otra propuesta más a las unificaciones fue hecha en 1921 por un matemático alemán llamado Theodor Kaluza. Él mostró cómo, considerando 5 dimensiones, se puede obtener el electromagnetismo y la gravitación en una sola teoría. Al introducir las otras fuerzas fundamentales, la teoría no funciona correctamente, aunque existen estudios donde trabajando con más dimensiones se busca la ansiada unificación. Estas teorías no son teorías cuánticas al no introducir la idea de una interacción como un intercambio de partícula, en estas teorías las fuerzas se explican como una propiedad del espacio (tal y como sucede con la gravedad). Se denominan las teorías de las supercuerdas, que pretenden explicar toda la física mediante la introducción de unas diminutas cuerdas de materia muy densa, estas cuerdas son muy pequeñas, pues no tienen más de 10^-35 m de largo. Todas las cuerdas son lazos donde los fermiones y los bosones, que son las partículas elementales asociadas a la materia y a las interacciones respectivamente, corresponden a ondas que viajan en la dirección de las manecillas del reloj para el caso de los fermiones y en dirección contraria en el caso de los bosones. En las teorías de supercuerdas; cada uno de los infinitos modos posibles de vibración, (armónicos y modos fundamentales de vibración), correspondería a una partícula diferente. Esto implica la existencia de un número infinito de partículas elementales. Todo esto es relativamente fácil de asimilar, ¡pero lo que no les he dicho es que estas cuerdas vibran en un espacio que tiene de 10 a 26 dimensiones!

La meta final de todas las unificaciones es encontrar una única fuerza que explique todas las interacciones que observamos en la naturaleza. Las teorías que describen el proceso de unificación de las fuerzas fundamentales se llaman 'teorías de supersimetrías. Pero hay que tener cuidado, ya que, como se ha dicho antes, una fuerza es considerada como fundamental según los conocimientos científicos existentes en ese momento.

Desde los años sesenta, los físicos han buscado una teoría para poner orden en el confuso mundo de las partículas. En la actualidad, las partículas se agrupan según la fuerza que domina sus interacciones, tal y como se indico en el epígrafe dos. Todas las partículas se ven afectadas por la gravedad, que sin embargo es extremadamente débil a escala subatómica. Los hadrones están sometidos a la fuerza nuclear fuerte y al electromagnetismo; además del neutrón y el protón, incluyen los hiperones y mesones. Los leptones "sienten" las fuerzas electromagnética y nuclear débil; incluyen el electrón, el muón, el tau, y los neutrinos asociados a cada uno de ellos. Las partículas que son responsables de las interacciones (como ya se ha comentado son siempre bosones) incluyen el fotón, que "transmite" la fuerza electromagnética, las partículas W y Z, portadoras de la fuerza nuclear débil, el gluón, portador de la fuerza nuclear fuerte, y el hipotético portador de la gravitación (gravitón). Además, los estudios con aceleradores han determinado que por cada partícula existe una antipartícula con la misma masa, cuya carga u otra propiedad electromagnética tiene signo opuesto a la de la partícula correspondiente. Con éstas se supone que se podrían formas átomos de lo denominado antimateria.

En 1963, los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron la teoría de que los hadrones son en realidad combinaciones de otras partículas elementales llamadas quarks, cuyas interacciones son transmitidas por gluones, la partícula responsable de la interacción fuerte, y que consigue unir a los quarks para formar las partículas ya comentadas. Esta es la teoría subyacente de las investigaciones actuales, y se la suele denominar con el nombre de Modelo Estándar.

En la época en que el modelo de quarks fue propuesto, bastaban tres tipos de quarks: up, down y sideway o strange nombrados con las iniciales u, d, s; así como cuatro leptones: el electrón y el muon y sus compañeros neutrinos (neutrino electrónico y neutrino muónico). Las características de éstos se indican en forma de tabla más adelante.

Sin embargo diferentes avances realizados desde entonces han llevado a aumentar el número de partículas elementales.

Por una serie de consideraciones, en particular para eliminar la contradicción con el principio de Pauli, es decir que dos partículas que sean fermiones no pueden ocupar el mismo estado teniendo los mismos números cuánticos (o propiedades), fue introducido el concepto de color del quark. Debemos entender el color como una carga que, contrariamente a la carga eléctrica que sólo posee dos valores (positiva o negativa), en este caso existen tres cargas de color. Se indica, por tanto que cada quark puede existir en tres formas coloreadas: amarilla, azul y roja (señalemos que la mezcla de estos colores da el color blanco nulo). De esta manera los quarks que forman el protón (up-up-down) tienen coloraciones diferentes y el principio de Pauli no se infringe. Para explicar la antimateria formada por el mismo tipo de antiquarks se les dio una carga de color o simplemente color complementario (anticolores), los que sumados con colores base dan colores nulos.

El descubrimiento de nuevas partículas en el acelerador lineal de Stanford en 1974 identificó un nuevo quark, denominado charmed, encanto o simplemente c. En el modelo de partículas formados por 4 quarks, propuesto anteriormente. Este difiere de los demás quarks por otro número cuántico que se hizo necesario introducir, el número cuántico C o encantamiento, cuyo valor es cero en el resto de quarks y 1 para el quark c y su antiquark. Además la masa del quark c fue cinco veces mayor que la del quark s. Las parejas up-down, y electrón-neutrino (electrónico) se denominaron por tanto la primera generación, a su vez la segunda generación, que da lugar a partículas más inestables, está formada por los quarks strange-charmed y los leptones muon-neutrino (muónico).

Para la explicación de las propiedades de otra nueva partícula descubierta en el año 1976 en los laboratorios del acelerador lineal de Fermi, fue necesario introducir un quinto quark que recibió la designación b (de bottom , inferior o beauty, hermoso). Este quinto quark tiene una masa tres veces mayor que la del quark c. Ese mismo año, en el Acelerador Lineal de Stanford se encontró otro par de leptones: el tau y su neutrino.

Teóricamente se pronosticaba la existencia de un sexto quark que se representa por la letra t (de top, superior o true, verdadero), la base de esta suposición estaba en consideraciones simétricas, de esta manera tendríamos una tercera generación de quarks. Hasta 1995 no había ninguna evidencia experimental que apoyara la existencia de este quark. Sin embargo en Marzo de 1995 en el laboratorio Fermi se encontró que el quark t existe. Este quark pesa 35 veces lo que pesa el quark b.

Por tanto tenemos las siguientes partículas elementales:

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! Up ! Charmed ! Top !

Quarks ! ! ! !

! Down ! Strange ! Bottom !

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! Neutrino (el) ! Neutrino (mu) ! Neutrino (tau) !

Lepton ! ! ! !

! Electrón ! Muon ! Tau !

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I Generacion II Generación III Generación

Junto a los siguientes portadores de las fuerzas:

Teniendo el número de quarks que completa el Modelo Estándar, así como los portadores de partículas, vamos a indicar las propiedades o números cuánticos que tienen éstos:

Tipo de Carga Número Espín Extrañeza Charm Color

quark (Masa GeV) Eléctrica Bariónico

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! ! ! ! ! !

u (anti u) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 ! Amarillo,

0.3 ! ! ! ! ! ! Azul o Rojo

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! ! ! ! ! ! (Violeta,

d (anti d) ! - (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 ! anaranjado

0.3 ! ! ! ! ! ! o verde)

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! ! ! ! ! !

s (anti s) ! - (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! - (+) 1 ! 0 !

0.5 ! ! ! ! ! !

-----------------------------------------------------------------------------

! ! ! ! ! !

c (anti c) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 1 !

1.5 ! ! ! ! ! !

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! ! ! ! ! !

b (anti b) ! - (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 !

4.5 ! ! ! ! ! !

-----------------------------------------------------------------------------

! ! ! ! ! !

t (anti t) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 !

175 ! ! ! ! ! !

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La explicación de toda partícula se hace con la unión de estos quarks, y la interacción se realiza con el intercambio de los bosones portadores de las fuerzas. Por ejemplo un neutrón está formado por dos quark down y un quark up, estos se mantienen unidos gracias a un intercambio mutuo de gluones, viendo las propiedades de los quarks tenemos las características del neutrón, (carga eléctrica nula, y masa aproximada de 930 MeV). Análogamente sucede con el protón (dos quarks up y un quark down).

Acabo así la introducción a lo que se conoce de la Física de las Partículas Elementales actualmente, sin embargo los estudios en este campo son muy extensos y quiero decir que lo leído puede estar anticuado o incluso ser falso si otra teoría la ha sustituido.

La física de las partículas ha dado respuestas a cuestiones que hasta hace poco se consideraban irresolubles, pero ha abierto otros interrogantes.

El estudio de las partículas y de las fuerzas fundamentales lleva al estudio del espaciotiempo. En las teorías de las supercuerdas se hablan de espaciotiempo de más de 4 dimensiones, ¿dónde se hallan?, ¿por qué no se han desarrollado como sí lo han hecho las cuatro dimensiones espaciotemporales de nuestro Universo?

Al observar las estrellas percibimos materia, ¿dónde se halla la antimateria? ¿por qué la naturaleza no ha sido simétrica al crear la materia y la antimateria?

El Modelo Estándar predice la existencia de una masiva partícula escalar llamada bosón de Higgs, la cual, todavía, no ha sido posible observar experimentalmente, ¿dónde se encuentra dicho bosón?, ¿es realmente el responsable de la masa de las partículas? Además, en el modelo estándar tenemos tres generaciones de quarks, pero el mundo estable, el mundo que observamos está constituido exclusivamente con los quarks de la primera generación, ¿por qué esa asimetría?, ¿son necesarias las restantes generaciones? Y aún más, por razonamientos simétricos y basándonos en el SU(3) siempre deberá existir un múltiplo de tres para las generaciones de quarks, es decir que nos bastarían los seis quarks que ya existen, pero ¿existen más quarks?,¿son necesarias más generaciones de quarks?

Las Teorías de la Gran Unificación (GTU) han aclarado la dinámica del universo primitivo, pero mientras no exista una teoría totalmente unificada (que incluya la gravedad) no se podrá describir el origen del universo. Al imaginar que retrocedemos en el tiempo hasta el universo muy primitivo, la temperatura y la energía de interacción de partículas cuánticas pueden aumentar sin límite de modo de que llegará un momento en que se penetre en la escala de distancias de Planck. El problema de la gravedad cuántica se plantea inevitablemente si queremos aclarar el origen del universo.

El Modelo Estándar es una teoría que, hasta ahora, se ha comportado bastante bien desde el punto de vista experimental. Se trata de una teoría consistente; sin embargo, más de una "arbitrariedad" ha sido necesario aceptar, entre ellas la crítica más sólida resulta ser que tiene diecisiete parámetros libres, como por ejemplo, las constantes de acoplamiento, el espectro de masa fermiónica, etc... El valor de estos parámetros los toma la teoría de datos experimentales, pero los orígenes y la explicación de lo que significan y de su valor no son fáciles de entender teóricamente.

Aún queda un amplio camino para llegar a entender a la Naturaleza, aún así confío en que todo, y digo TODO, podrá ser comprendido por los físicos en el futuro. Y quizás en un futuro muy próximo.

Aparte de un gran cantidad de documentación, principalmente en inglés, que se encuentra en la red (entre ellos destaco monografías.com y lafacu.com), para la elaboración de este documento se han utilizado revistas científicas (Scientific American y Physics Review), y varios libros siendo los más utilizados: Curso de Física General (tomo 3) de I.V. Savéliev, Experimental Nuclear Physics (volumen I y II) de K.N. Mukhin, Electrodinámica Cuántica de A.A. Sokolov, Curso de Física Teórica de Landau, Quantum field Theory de Mandel, La Creación de P.W. Atkins, Claves ciertas de G.Feinberg, y Los primeros tres minutos de S. Weinberg.

Por último quisiera indicaros que el conocimiento y la información que no se divulga, ¡se pudre en el cerebro! La red está aquí para poder comunicaros. Os animo a que publiquéis trabajos y a que los hagáis accesible al mayor número de personas posibles (y si son del tercer mundo mucho mejor). Espero que os haya gustado y si queréis hacerme un comentario: autor

Resumen: este trabajo estudia la teoría de las Partículas y Fuerzas Elementales sin fórmulas matemáticas y comenzando con los componentes básicos de la materia. Se llega al modelo estándar de los quarks, y los elementos esenciales de la teoría cuántica de campos.

Categoría: Física

Plabras claves: quark, Cuántica, Partículas, Antipartículas, gluones, electrón, neutrón, átomo, Fuerzas Elementales, Campos elementales, Teoría Cuántica de campos, Simetrías, ElectroDinámica de Campos,...,junto a nombres de físicos como Bohr, Dirac, Rutherford, Zweig, Gell, Man,...

Trabajo enviado y realizado por:
Federico Tejeiro
jbond006@mixmail.com