Antes de empezar, me parece correcto hacer una brevísima introducción, simplemente para situar a los más despistados.
Resumiendo mucho, el hombre ha tenido curiosidad por saber de qué estaban hechas las cosas desde hace mucho tiempo. En tiempos clásicos, los griegos pensaban que los elementos eran la tierra, el agua, el fuego, el aire y el éter, reservado únicamente para los dioses. Avanzando un poco, partiremos del modelo atómico de Thompson, hacia 1900. Como consecuencia de sus experimentos con los rayos catódicos, dedujo un modelo que consistía en una esfera de radio y masa constante para cada elemento, con electrones pegados como si fueran las pepitas de chocolate en una galleta, ya que como vio podían ser arrancados con relativa facilidad. Unos años después aparecería el modelo planetario de Rutherford, como consecuencia de su famoso experimento consistente en bombardear una finísima lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio). Este modelo proponía que los electrones orbitarían alrededor de un núcleo cargado positivamente que contendría la práctica totalidad de la masa del átomo.
Modelo planetario de Rutherford.
Actualmente, la idea general que se tiene es que los átomos están compuestos por un núcleo, formado por protones y neutrones, y una envoltuta en donde habitan los electrones distribuidos en distintos orbitales. Sin embargo, en los últimos años se ha podido demostrar que los protones y neutrones están a su vez constituidos por otras partículas, llamadas quarks. A continuación veremos qué más partículas subatómicas existen y cómo interactúan entre sí para causar las llamadas cuatro interacciones fundamentales. Empecemos.
El modelo estándar es el modelo que describe la composición de la materia y las interacciones entre las partículas. A día de hoy, se han descubierto y teorizado más partículas subatómicas, al margen del protón, neutrón y electrón. Muchas de las partículas predichas hace tiempo han sido demostradas, pero aún hay algunas cuya existencia está pendiente de comprobar. Una de ellas es el gravitón, que sería el causante de la fuerza de la gravedad, una de las cuatro fuerzas fundamentales, y la única que no se ha podido encajar con las otras (unificar). Los físicos tratan de unificar las fuerzas para poder encontrar una teoría aplicable a TODO, y poder así estudiar fenómenos tan complejos como los agujeros negros, donde entraría en juego la gravedad cuántica. Pero esto es avanzar ya demasiado.
Según el modelo estándar de partículas, existen dos tipos básicos de partículas elementales y de partículas compuestas. Las partículas básicas elementales son los fermiones y bosones, y las partículas compuestas básicas o hadrones son los bariones y mesones. Las partículas básicas elementales son hasta ahora la unidad mínima de la que está hecho todo. Los hadrones son uniones elementales de cierto tipo de fermiones.
Estas partículas interactúan entre sí mediante las cuatro interacciones fundamentales: gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. Las dos primeras son de sobra conocidas, las dos últimas actúan a escalas atómicas, pero no por esto son menos importantes. Explicaremos estas interacciones al final del artículo, aunque podremos ir avanzando conceptos a lo largo del mismo. De todas maneras, es importante comenzar con la idea de que la fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos a los protones en el núcleo, anulando así la fuerza electromagnética que tiende a separarlos.
Volviendo a los tipos de partículas:
Fermiones: Tipo básico de partícula elemental caracterizado por tener un espín semi-entero. Cumplen el principio de exclusión de Pauli: no puede haber dos partículas juntas en un mismo estado cuántico, es decir, dos partículas con mismo spin, carga de color, momento angular, etc. no pueden existir en el mismo lugar al mismo tiempo. Las partículas fundamentales de la materia y la mayoría de las compuestas, como protones y neutrones, son fermiones al no poder coexistir en una misma posición.
Hay dos tipos de fermiones: quarks y leptones. Los quarks forman las partículas de los núcleos atómicos, y tienen la denominada carga de color, responsable de la interacción fuerte, similar a la carga eléctrica para la interacción electromagnética (veremos esto más adelante). Los leptones por su parte interactúan con la interacción débil y no experimentan la interacción fuerte, por lo que no tienen carga de color. A pesar de la tabla siguiente, todo lo conocido está formado por los quarks up y down y por electrones, ya que el resto de partículas son inestables.
Generaciones de la materia.
Hay 6 tipos de quarks (diferenciados por unas propiedades denominadas isospín débil, sabor, carga y masa) y de leptones, más sus antipartículas, con misma masa y espín pero con carga opuesta:
- Quarks de nivel I: up y down
- Quarks de nivel II: charm y strange
- Quarks de nivel III: top y bottom
- Leptones de nivel I: electrón neutrino y electrón
- Leptones de nivel II: muón neutrino y muón
- Leptones de nivel III: tau neutrino y tau
Cuando materia y antimateria se juntan, se aniquilan transformándose en pura energía.
Bosones: Tipo básico de partícula elemental caracterizado por tener espín entero. No cumplen el principio de exclusión de Pauli, así que pueden mantenerse en el mismo estado cuántico y agruparse como lo hacen los fotones en el láser, formando una especie de partícula única. Se cree que son las partículas portadoras de las interacciones fundamentales arriba mencionadas: fuerza electromagnética, nuclear débil, nuclear fuerte, y se supone que gravitatoria. Por tanto, la interacción de cierto tipo de bosones con los fermiones daría lugar a las interacciones fundamentales. A estos bosones se los denomina bosones de gauge. Otros bosones de existencia hipotética, como el gravitón, son el bosón de Higgs y el Axión.
Los bosones de gauge son los Z y W para la interacción débil, los gluones para la interacción fuerte y los fotones para la fuerza electromagnética. Supuestamente, el gravitón sería el encargado de la gravedad. Las interacciones vienen mejor explicadas al final del artículo. El bosón de Higgs sería el que daría masa a otras partículas, mientras que el Axión explicaría la conservación de la simetría CP (las leyes de la física funcionarían aún cuando se intercambiasen las cargas de las partículas y sufrieran una inversión especular -como en un espejo-), pero no nos adentraremos en esto.
Representación de la simetríca CP.
Las partículas compuestas por otras partículas, como los protones, neutrones, núcleos, etc., serán fermiones o bosones según su espín total.
Los hadrones son partículas compuestas y con carga entera que sufren la interacción fuerte, pero no tienen carga de color (solo la tienen los quarks y los gluones). Pueden ser de dos tipos, bariones (son fermiones, espín semi-entero) o mesones (bosones, espín entero).
Los bariones están formados por tres quarks. Los más conocidos son el protón y el neutrón. Al cumplir el principio de exclusion de Pauli por ser fermiones, los tres quarks de los bariones han de estar en combinación antisimétrica. Los mesones por su parte están formados por un par quark-antiquark y también sufren por tanto la interacción fuerte, pero no satisfacen el principio de exclusión de Pauli. Los quarks componentes están unidos por gluones por su carga de color, aunque el hadrón en su conjunto sea neutro en cuanto a este tipo de carga (esto es algo que se cumple para todos los hadrones). Esta fuerza (la nuclear fuerte) es muy intensa a cortas distancias.
Gluones uniendo quarks para formar un protón.
Por tanto, y resumiendo, los quarks están unidos por nubes de gluones para formar protones, neutrones o cualquiera de los tipos de mesones. Dos quarks cercanos intercambian gluones creando un campo muy fuerte, cambiando de carga de color con cada intercambio, pero cumpliéndose siempre que la carga total del hadrón sea neutra y que cada vez que un quark emite un gluón, se mantenga la carga de color (por ejemplo, si el quark tiene carga azul y pasa a tener carga roja, emitirá un gluón azul/antirojo). Por su parte, los protones se unen entre sí debido a la interacción fuerte residual, que no es más que el resultado de la atracción de los quarks de un protón con los de su protón vecino. El bosón relacionado con esta interacción es el pión, un tipo de mesón con un tiempo de vida de una cienmillonésima de segundo. Como se ve, parece que cualquier tipo de interacción entre dos cuerpos se da por el intercambio de partículas subatomicas, cuyo alcance será menor cuanto mayor sea su masa (caso de los piones o partículas W o Z).
Interacción fuerte residual mediante intercambio de piones.
Tanto bariones como mesones consiguen una carga entera sumando la de sus partículas. Por ejemplo, un neutrón está formado por un quark up y dos quark down, con cargas 2/3 y -1/3 respectivamente, dando una carga total de 0, como es sabido. Un pión está formado por un quark up y un antidown, con cargas de 2/3 y 1/3, lo que da una carga total de 1.
Cabe también decir que la masa de los hadrones en general no viene dada por la suma de las masas de sus quarks, sino que la mayor parte de ella corresponde a la energía cinética y potencial del propio hadrón.
|
Interacción
|
Gravitatoria
|
Débil
|
Electromagnética
|
Fuerte
|
Fuerte residual
|
| Actúa sobre |
Masa
|
Carga de sabor
|
Carga eléctrica
|
Color
|
–
|
| Partículas afectadas |
Todas?
|
Leptones y quarks
|
Cualquiera cargada
|
Quarks y gluones
|
Hadrones
|
| La transportan |
Gravitón?
|
Bosones W y Z
|
Fotones
|
Gluones
|
Mesones
|
Como se ha dicho al comienzo del artículo, estas partículas interactúan entre sí generando cuatro interacciones fundamentales. La fuerza electromagnética actúa sobre partículas cargadas, atrayendo a las de distinto signo y repeliendo a las de mismo signo. Por su parte, la fuerza electromagnética residual es la que une a los átomos entre sí, ya que a pesar de ser neutros, están constituidos por elementos con carga. El bosón relacionado con esta interacción es el fotón. La nuclear fuerte es muy intensa a cortas distancias (del orden del radio de un átomo), y despreciable a distancias superiores a 10 fm. Es la encargada de pegar quarks para crear hadrones, y sus efectos colaterales (nuclear fuerte residual) es la que hace que los núcleos atómicos no se desintegren debido a la repulsión de los protones por la fuerza electromagnética, atrayendo a los quarks de los nucleones entre sí. Como también se ha visto, su bosón correspondiente es el gluón (de glue). La nuclear débil es la causante del decaimiento beta y de la radioactividad, y afecta a todo leptón (tipo de fermión) de quiralidad zurda (las direcciones del spin y el movimiento de la partícula son opuestas) y a los quarks, violando así la simetría CP. La nuclear débil es la causante de las transformaciones de los neutrones en protones y viceversa, emitiendo según el caso un electrón y un antineutrino o un positrón y un neutrino, y es también la responsable de que quarks y leptones decaigan hacia partículas con menos masa. Además, cuando una partícula decae, aparecen en su lugar dos partículas cuya masa es siempre menor que la de la partícula original. Los bosones correspondientes son los W y Z, de gran masa. Un ejemplo de desintegración beta consistiría en la transformación de un quark down en uno up y en la emisión de una partícula que se desintegraría en un electrón y un antineutrino, como se aprecia en la imagen:
Decaimiento beta del neutrón.
Cuando un quark o leptón cambia de tipo en estos procesos, se dice que cambia de sabor (propiedad de toda partícula fundamental que solo se modifica por la interacción débil cargada). Por último, nos queda la gravedad, que actúa como sabemos sobre partículas con masa, y es sin duda la más débil de todas -un simple imán vence a la fuerza de atracción de toda la Tierra-. Su bosón correspondiente, cuya existencia está por demostrar, sería el gravitón. A pesar de conocerse desde hace un buen puñado de años (Newton), lo cierto es que la gravedad es la fuerza más desconocida, y de hecho no termina de encajar con las otras tres. Recordemos que según el modelo de relatividad general de Einstein, la gravedad no sería más que una curva en el espacio-tiempo causada por una masa, y esto parece funcionar a grandes escalas. Sin embargo, el fenómeno no está resuelto para escalas cuánticas, y he aquí el gran problema al que se enfrenta la comunidad científica, ya que hoy por hoy, la teoría cuántica y la teoría general de la relatividad, están más que peleadas.
Efectivamente, el Modelo Estándar no es tan bello e ideal como quizá pueda parecer, y sus propios creadores lo reconocen, a pesar de que, por ahora, no se ha podido contradecir. No parece ser el modelo definitivo, tiene demasiadas partículas y campos, y a lo largo de los años, se han ido descubriendo más:
- 36 quarks.
- 8 campos de Yang-Mills (tan intenso que parece una pasta) que describen los gluones.
- 4 campos de Yang-Mills para describir la fuerza débil y la electromagnética.
- 6 tipos de leptones para describir las interacciones débiles (electrón, muón, leptón tau y sus antineutrinos).
- Un gran número de partículas de Higgs necesarias para ajustar las masas y las constantes de las partículas.
- Quizá más de 19 constantes arbitrarias para describir las masas de las partículas y las intensidades de sus interacciones.
A continuación, una tabla donde se muestran las distintas partículas detectadas o supuestas, ordenadas según su masa (expresada ésta como la relación entre su energía y la velocidad de la luz al cuadrado, unidad en que se expresa la masa en la Física de Altas Energías, según E=mc2):
Puede verse que la segunda y tercera generación de fermiones tienen más masa, por lo que para generar estas partículas hace falta más energía. En cualquir caso, son inestables, y decaen rápidamente hacia partículas de la primera generación. Por ello todo el universo conocido está constituido por quarks up, down, y electrones.
Los físicos siguen actualmente realizando experimentos para demostrar la existencia de otras partículas, y es probable que así como hace tiempo se consideraba a los protones, neutrones y electrones como partículas indivisibles, en un futuro se demuestre que los quarks no son partículas elementales sino que pueden descomponerse en otras unidades de mayor energía y masa equivalente que habrían existido en los primeros instantes del universo, cuando éste era extremadamente denso, compacto y caliente (esto es lo que se pretende con experimentos como el del LHC).
La teoría de cuerdas, tan de moda en estos días, propone precisamente tratar a las partículas como loops o cuerdas de energía en lugar de puntos de tamaño infinitesimal. Estas cuerdas tendrían a bajas energías una tensión tal que sí podrían ser tratadas como puntos. Existe por tanto la creencia de que realmente, nuestro concepto de masa, no es más que nuestra interpretación o percepcón de la enorme energía que hay en la interacción de los gluones, según E=mc2.
No obstante, es probable que no seamos capaces de generar niveles de energía tan altos como nos gustaría, por lo que habrá un momento en que no podamos seguir jugando a crear partículas, y entonces sí que tendremos que conformarnos con hipótesis y teorías que habrá que tomar como ciertas mientras todo siga funcionando y no se demuestre lo contrario (si es que lamentablemente aún nos quedan conceptos por resolver).
Sicknexxt 