Partículas elementales

 

 

      Para dar una explicación al mundo que nos rodea se requiere investigar el mundo microscópico (de lo muy pequeño), introducirnos en el núcleo de los átomos. De él surgen las partículas elementales (leptones y quarks) que forma la materia y encierra dos de las 4 fuerzas que se dan en la naturaleza: la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte.

Empecemos dando a conocer las primeras, las partículas elementales, pero ya desde el comienzo se observa la intima relación de estas con las interacciones nucleares. De esta forma, las interacciones nucleares hacen que las partículas atómicas se clasifiquen de la siguiente forma:

 

1.  LEPTONES. Aparecen en la interacción débil, y todo indica que son partículas elementales (no se pueden dividir en partes más pequeñas).

     Dentro de este grupo nos encontramos dos tipos de partículas: aquellas que poseen carga unidad y masa; y otras, que no poseen ni carga, ni masa (en reposo). A su vez, cada partícula del primer tipo está relacionada íntimamente con una determinada del segundo tipo, formándose tres familias distintas de leptones:

 

Familia 1	Familia 2	Familia 3
Electrón (e-)   Positrón (e+)	Muón -       (μ-)   Muón +      (μ+)	Tauón -      (τ-)   Tauón +     (τ+)
Neutrino electrónico (υe)   Antineutrino electrónico (Øe)	Neutrino muónico (υμ)   Antineutrino muónico (Øμ)	Neutrino tauónico (υτ)   Antineutrino tauónico (Øτ)

 

     Finalmente, la descripción de un leptón se realiza conociéndose los valores de los números cuánticos que lo caracterizan:

 

     SPIN (J). La mecánica clásica considera que las partículas son como pequeñas esferas que giran sobre ellas mismas (en torno a un eje que las atraviesan). Esta descripción es incorrecta para la mecánica cuántica, pues las micropartículas en ellas poseen una naturaleza dual, de partícula-onda. Sin embargo, nos puede servir para dar sentido a un nuevo momento angular que poseen estas. Este (momento angular) queda definido en estas por el llamado número cuántico de spin. Todos los leptones poseen un valor de este igual a ½.

 

     NÚMERO LEPTÓNICO. Este toma el valor de +1 en las partículas con carga negativa y los neutrinos, y -1 en las de carga positiva y los antineutrinos.

 

     NÚMERO ELECTRÓNICO: +1 para electrón y neutrino electrónico; -1 para positrón y antineutrino electrónico; y 0 para los demás leptones.

 

     NÚMERO MUÓNICO: +1 para μ^- y neutrino muónico; -1 para μ⁺ y antineutrino muónico; y 0 para los demás leptones.

 

     NÚMERO TAUÓNICO: +1 para τ^- y neutrino tauónico; -1 para τ⁺ y antineutrino tauónico; y 0 para los demás leptones.

 

2.  HADRONES. Aquellas que intervienen en la interacción fuerte.

La mayoría de las partículas que aparecen en las interacciones nucleares son hadrones. A su vez, estos se dividen en:

     MESONES. Aquellas partículas  en cuyas desintegraciones no aparece el protón, sólo lo hacen leptones y neutrinos. Ejemplo:

 

π⁺ ───────>          μ⁺        +          υ

                                  │

                                                                                                └──────>    e⁺         +          υ          +          Ø

 

     BARIONES. Cuando en las desintegraciones de una partícula aparece (entre otras) algún protón. Ejemplo:

 

                                    Ξ^-  ────────>     Λ⁰            +          π^-

                                                                     │                         │           

                                                                    │                         └───────>  μ^-         +          υ

         │                                                 │

         │                                                 └──────>    e^-          +          υ          +   Ø

                                                                     │

         └──────>       n     +     π⁰

                            │            │ 

                            │            └──────>  γ          +          γ

                        │

                        └───────>  p⁺         +          e^-          +          Ø

 

El número tan elevado de hadrones que se han ido descubriendo (por lo menos triplica el número de elementos químicos) nos indica que estos no pueden ser partículas elementales. Así, Murray Gell-Mann y George Zweig, en 1963, interpretaron que estos están formados por partículas más pequeñas, a las que llamaron QUARKS. Para estos, los mesones se componen de parejas quark-antiquark y los bariones por tríos de quarks.

Actualmente se conocen 6 tipos de quarks (con sus correspondientes antiquarks): abajo, extraño y fondo poseen una carga eléctrica que es 1/3 la que posee el electrón; arriba, encanto y cima con una carga que equivale a 2/3 la que posee el protón.

También estos se clasifican en tres familias (como los leptones):

 

 

Todos los quarks poseen masa, además de carga, y otras dos propiedades relacionadas con las interacciones propias de estas partículas en el interior del núcleo:

 

CARGA DE SABOR. Existen 6 sabores, correspondientes a los 6 tipos de quarks. Está relacionada con la interacción débil, que es la que permite que un tipo de quark se transforme en otro tipo distinto:

 

n ────────> p+ + e- + Ø	Neutrón (n): u d d	En la desintegración β (e-), un quark abajo (d) del neutrón se transforma en un quark arriba (u), por lo que el neutrón se transforma en un protón.
	Protón (p+):  u u d

 

 

CARGA DE COLOR. Relacionada con la interacción fuerte. Existen 3 colores: rojo, azul y verde.

Aunque esta propiedad nada tiene que ver con el color que todo el mundo conoce (debido a los tránsitos electrónicos), lo utilizamos (de forma abstracta) como si así fuese: uno, la suma de rojo, azul y verde es el blanco, como ocurre con el color tradicional; dos, cada nucleón posee color blanco; y tres, el campo creado por la interacción fuerte (campo de color) debe compensar cualquier cambio de color que sufra un quark.

 

Finalmente, como ocurría con los leptones, los quarks se describen mediante ciertos números cuánticos:

 

NÚMERO BARIÓNICO (B). El valor de este es 1/3 en cualquier quark, y -1/3 en los antiquarks.

 

SPIN (J). Toma el valor de ½ en cada quark y en cada antiquark.

 

EXTRAÑEZA (S) .Este vale -1 en el quark extraño; +1 en el antiquark extraño y 0 en los demás quarks y antiquarks.

 

ENCANTO (c). Con valor +1 en el quark encanto; -1 en el antiquark encanto y 0 en los demás quarks y antiquarks.

 

BELLEZA o FONDO (b). El quark fondo toma el valor +1; -1 para el antiquark fondo y 0 para el resto.

 

VERDAD o CIMA (t): +1 para el quark cima; -1 para el antiquark cima y 0 para el resto.

 

Volviendo a los hadrones (bariones y mesones), estos también se caracterizan a través de números cuánticos. Estos son los siguientes:

 

NÚMERO BARIÓNICO (B). Es el número de protones que aparecen al final de la desintegración (total) de una partícula. Así, los mesones poseen un valor de B = 0, los bariones de B = 1, siendo B = -1 en el caso de los antibariones.

 

EXTRAÑEZA (S) . La mayoría de los hadrones se desintegran en una escala de tiempo que es del mismo orden que la dada en la interacción fuerte (10^-24 segundos). Sin embargo, algunos de ellos tardan mucho tiempo en desintegrarse (respecto a los tiempos puestos en juego en la interacción fuerte), aproximadamente unos 10^-10 segundos. Se dice que estas partículas son extrañas, al igual que la propiedad que poseen. Así, la carga S (de extrañeza) es cero en las partículas no extrañas, y distinta de cero en las extrañas: S = -1 para Λ⁰, S = -2 para Ξ...

 

SPIN (J). En la siguiente tabla aparecen el valor de este en algunos hadrones:

 

 

ISOSPÍN (I) (clasificación por la carga eléctrica). Surge para poderse establecer una analogía entre las leyes que gobiernan el spín y las propiedades eléctricas de las familias de partículas.

Debemos suponer este como un vector (en un espacio matemático, es pues, un ente abstracto), al igual que el spin. También como este, el isospín puede orientarse en este espacio abstracto hacia ciertas direcciones permitidas: I = 0, una única dirección permitida; I = 1, tres orientaciones permitidas (representadas por los valores +1, 0 y -1)...

El isospín nos da la forma de clasificar los hadrones en familias (no siendo válido para los leptones), además  de permitirnos realizar numerosas predicciones, tomando para ello la hipótesis de que las leyes que gobiernan el spin gobiernan también el isospín. Estas predicciones concuerdan con los resultados experimentales, a pesar del carácter un tanto abstracto de esta propiedad: se ha podido comprobar que los mesones π⁺, π⁰ y π^- son la misma partícula en cuanto a la interacción fuerte se refiere (lo mismo ocurre con ρ⁺, ρ⁰ y ρ^-), pero con distintas orientaciones en cuanto a su isospín.

Las conclusiones que se sacan a partir de estas son:

 

PRIMERA. Conociéndose el número de partículas que compone una determinada familia, conocemos directamente el isospín:

	(donde N es el número de orientaciones posibles, pero también el número de miembros de una determinada familia)
N = 2I + 1

SEGUNDA. Conociéndose el isospín, el número bariónico y la extrañeza, tenemos las posibles cargas de los miembros de una determinada familia:

 

Q = I_z + B/2 + S/2 (donde Q es la carga e I_z es la proyección del isospín).

 

La suma de estas conclusiones nos lleva a:

 

 

      Es decir, desde el punto de vista de la interacción fuerte (y como predice matemáticamente el isospín) el protón y el neutrón son la misma partícula.

 

1.    PARTÍCULAS MENSAJERAS. Aunque no forman parte de la materia ordinaria, son intercambiadas en las interacciones que sufre esta.

Hasta hace muy poco sólo se conocía una de estas partículas, el FOTÓN. Esta se intercambia en todo proceso en donde aparezca la interacción electromagnética.

Tanto por razones de simetría al intentar explicar el campo creado por la interacción débil, como el posterior intento (¡con éxito!) de unificarlo con el campo electromagnético, se hacía necesaria la existencia de partículas que transmitiese la fuerza nuclear débil. Pero no fue hasta los años 70 del pasado siglo cuando se pudo observar por primera vez estas partículas, en el caso de “corrientes cargadas”, las llamadas W⁺ y W^-. Hubo que esperar hasta 1983 para obtenerse un caso de “corriente neutra” y así conocer la tercera de estas partículas, Z⁰ (sin carga eléctrica).

En el caso de la interacción fuerte, son los GLUONES los encargados de transmitir esta desde un lugar a otro. Estos realizan una doble función: de una parte mantienen unidos los quarks entre sí, formando los hadrones; y por otro lado, mantiene unidos a estos (protones y neutrones) en el interior del núcleo. Para que la interacción fuerte posea la simetría adecuada se requieren 8 campos de fuerza diferentes, es decir, 8 tipos de gluones diferentes (que añadir a las 3 cargas de color).

En cuanto a la interacción gravitatoria, se piensa que esta se transmite gracias al GRAVITÓN, que aún no ha sido descubierto.

Finalmente, todas estas partículas poseen carga eléctrica cero, salvo W⁺ y W^-; y spín 1, salvo el gravitón, cuyo valor es 2. Esto último representa un gran cambio respecto a todo lo visto hasta ahora, pues tanto los leptones como los quarks poseen un spin igual a ½.

 

 

 

RESUMEN:

 

1.    Todas las partículas asociadas a la materia son fermiones, cumplen por tanto el principio de exclusión de Pauli. Estas se dividen en dos grupos: leptones y quarks.

Las partículas asociadas a las fuerzas son bosones, siendo la simetría la encargada de decirnos cuantas de estas son necesarias en cada tipo de interacción: el gravitón en la interacción gravitatoria; el fotón en la electromagnética; los bosones W⁺, W^- y Z⁰ en la débil; y ocho gluones en la fuerte.

 

2.    Todas las partículas que componen la materia se pueden clasificar dentro de 3 familias:

 

 

3.    Aunque no se descarta la existencia de una cuarta familia, en realidad toda la materia que forma nuestro Universo conocido puede ser explicada con la participación de las partículas que forman la Familia 1: los átomos están formados por el núcleo que contiene protones y neutrones (ambos formados sólo por la combinación de quarks arriba y abajo) y girando alrededor de este (el núcleo) se encuentran los electrones.

No debemos olvidar, sin embargo, a los gluones, que son los encargados de mantener unidos a los protones y/o neutrones en el núcleo.

 

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BIBLIOGRAFÍA:

      

       Superfuerza (biblioteca científica salvat): por Paul Davies.

       De los átomos a los quarks (biblioteca científica salvat): por James S. Trefil.

       Observación de fenómenos extraños (investigación y ciencia, noviembre 1994): por David B. Cline.