LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES

Los átomos, etimológicamente indivisibles, tienen estructura y se dividen. Están compuestos por protones, electrones y neutrones, partículas que se creyeron elementales; es decir, no compuestas de otras partes más pequeñas. Pero ni son las únicas ni son realmente elementales. Todo induce a creer que están formadas por otras (los quarks) y la ciencia ya se interroga si son éstos los componentes últimos de la materia, cuando apenas ha acabado de dilucidar que existen.

Interacciones y partículas

Hablar de partículas elementales lleva a considerar las interacciones entre ellas. El comportamiento de las partículas, su desintegración, va ligado al tipo de interacciones implicadas.

Se conocen cuatro interacciones fundamentales, que, por orden de intensidad, reciben los nombres de: fuerte, electromagnética, débil, gravitatoria. De vez en cuando se publica el descubrimiento de una quinta interacción. Cuatro interacciones parecen muchas cuando ha sido útil el principio de máxima simplicidad: elegir las teorías que precisen el mínimo número de elementos, de hipótesis, ha hecho avanzar enormemente a la ciencia. En este campo, los esfuerzos de los físicos se dirigen en gran parte hacia establecer teorías de unificación que manejan las distintas interacciones como una sola con diferentes aspectos. Se ha podido integrar la interacción débil con la electromagnética en una teoría que las implica matemáticamente. Como las teorías que describen las cuatro interacciones tienen la misma forma, se llega a una teoría llamada de la gran unificación que une la fuerte con la electrodébil, e incluso a una teoría de la supergravedad que incluiría la gravitatoria.

En una interacción electromagnética, las partículas intercambian un fotón virtual, y en una gravitatoria intercambiarían un gravitón, partícula no detectada hasta la fecha. El fotón y el gravitón son partículas cuya masa en reposo es nula, de acuerdo el alcance infinito de la interacción.

Las fuerzas débil y fuerte son de alcance finito, con lo que las partículas e intercambio tienen masa no nula. En la interacción fuerte (responsable de la unión de las partículas en el núcleo atómico) interviene el mesón π predicho por Yukawa en 1935, y en la interacción débil se intercambia el bosón W.

Clasificación

Una partícula se caracteriza por multitud de propiedades cuantizadas, de las cuales, algunas se conservan a lo largo de cualquier proceso (energía, carga eléctrica, espín, isospín, carga bariónica, carga leptónica, etc.), y otras pueden variar en determinados casos (paridad, extrañeza, etc.). Los nombres de las propiedades pueden tener alguna relación con su comportamiento –extrañeza-. En ciertos casos no existe relación alguna con la propiedad macroscópica del mismo nombre (encanto, sabor, color).

Una clasificación de las partículas permite separar fermiones (espín semientero)  y bosones (espín entero), según signa las estadísticas de Fermi-Dirac o las de Bose-Einstein, diferenciadas, básicamente, en que la primera se cumple el principio de exclusión de Pauli y en l asegunda no.

También se pueden clasificar según las fuerzas a las que son sensibles. Así, los hadrones son afectados por las cuatro interacciones, mientras que los leptones no responden a la interacción fuerte y los fotones son insensibles a la fuerte y a la débil.

Los fotones tienen masa nula. Los leptones (electrón, muon, tauón y los neutrinos) son de masa muy pequeña, mientras que los mesones tienen masa intermedia; los bariones (protón y neutrón), masa semejante; y los hiperones, por último, tienen una masa mayor que los anteriores. Al hablar de masa se considera siempre que se trata de la masa en reposo; es decir, referida a un sistema respecto al cual la partícula no se mueve.

Para cada partícula existe una antipartícula con su misma masa pero con carga eléctrica, bariónica y leptónica opuestas; y, con ellas, otras características como el isospín y la extrañeza. El positrón es la antipartícula del electrón; y el antineutrino, la del neutrino. Algunas partículas, como el fotón, son su propia antimateria.

Quarks

El número de partículas es muy elevado (centenares), y se desintegran descomponiéndose unas en otras, lo cual ha inducido a agruparlas en familias o multipletes y a considerarlas dotadas de una estructura y, por ende, de unos componentes de nivel inferior: los quarks. Éstos son los sujetos de la fuerza fuerte; y la partícula de intercambio es una nueva partícula: el gluon.

Los quarks eran inicialmente tres y, junto con seis leptones y las antipartículas de cada uno, constituirían los componentes últimos de la materia. Los leptones serian simples; los mesones estarían constituidos por la unión de dos quarks; y los bariones, de tres. Las cargas eléctrica y bariónica de los quarks puede ser ± 1/3 y ± 2/3. La sucesiva aparición de nuevas partículas y la necesidad de introducir nuevas propiedades obligo a desdoblar cada quark (cada sabor de quark) en tres colores (rojo, vede y azul), así como también a establecer el número de sabores en seis (up, down, charm, strange, top y bottom), a semejanza de los leptones.

Tal proliferación de partículas y antipartículas lleva a busca algún tipo de relación que permita, o bien hallarles una estructura, o bien mostrar que son distintos aspectos de una misma partícula que corresponde a diversos aspectos o situaciones de una única interacción.

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