¿Qué son las partículas elementales?

Los electrones son probablemente las partículas elementales más familiares, pero el modelo estándar de la física, que describe las interacciones de léstas y casi todas las fuerzas, reconoce diez en total.

Rocío Snyder

Ilustración de partículas elementales en el átomo.
Ilustración de partículas elementales en el átomo.

Los electrones son los componentes cargados negativamente de los átomos. Si bien se cree que son partículas puntuales de dimensión cero, están rodeadas por una nube de otras partículas virtuales que aparecen y desaparecen constantemente, que esencialmente actúan como parte del electrón mismo. Algunas teorías han predicho que el electrón tiene un polo ligeramente positivo y un polo ligeramente negativo, por lo que esta nube de partículas virtuales debería ser un poco asimétrica.

Si éste fuera el caso, los electrones podrían comportarse de manera diferente a sus dobles de antimateria, los positrones, lo que podría explicar muchos misterios sobre la materia y la antimateria. Pero los físicos han medido repetidamente la forma de un electrón y han descubierto que, según su conocimiento, es perfectamente redondo, dejándolos sin respuestas para los acertijos de la antimateria.

Neutrinos, electrones, muones y taus forman una categoría de partículas fundamentales llamadas leptones

El electrón tiene dos primos más pesados, llamados muón y tau. Los muones se pueden crear cuando los rayos cósmicos de alta energía del espacio exterior golpean la parte superior de la atmósfera de la Tierra, generando una lluvia de partículas exóticas. Los taus son incluso más raros y difíciles de producir, ya que son más de 3.400 veces más pesados ​​que los electrones. Neutrinos, electrones, muones y taus forman una categoría de partículas fundamentales llamadas leptones.

Quarks y su peculiaridad

Los quarks, que forman protones y neutrones, son otro tipo de partícula fundamental. Junto con los leptones, los quarks forman lo que consideramos materia.

Modelo estándar de partículas elementales y gravedad.
Modelo estándar de partículas elementales y gravedad.

Hace tiempo, los científicos creían que los átomos eran los objetos más pequeños posibles; la palabra proviene del griego que significa "indivisible". A principios del siglo XX, se demostró que los núcleos atómicos consisten en protones y neutrones. Luego, durante las décadas de 1950 y 1960, los aceleradores de partículas siguieron revelando un grupo de partículas subatómicas exóticas, como piones y kaones.

Dentro de los protones y neutrones residen pequeñas partículas llamadas quarks y con seis tipos distintos

En 1964, los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron de forma independiente un modelo que podría explicar el funcionamiento interno de los protones, los neutrones y el resto de partículas elementales, según un informe histórico del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en California. Dentro de los protones y neutrones residen pequeñas partículas llamadas quarks y con seis tipos distintos: up (arriba), down (abajo), charm (encanto), strange (extraño), top (cima) y bottom (fondo).

En 1977, los físicos aislaron cinco de los seis quarks en el laboratorio, pero no fue hasta 1995 que los investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermilab, en Illinois, encontraron el quark final, el quark superior. Buscarlo había sido tan intenso como la búsqueda posterior del bosón de Higgs. El quark top fue tan difícil de producir porque es aproximadamente 100 billones de veces más pesado que los up, lo que significa que requirió mucha más energía para fabricarse en los aceleradores de partículas.

Partículas fundamentales de la naturaleza

Luego están las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo, la gravedad y las fuerzas nucleares fuerte y débil. Cada uno de estos tiene una partícula fundamental asociada.

Los fotones son los más conocidos; llevan la fuerza electromagnética. Los gluones llevan la fuerza nuclear fuerte y residen con quarks dentro de protones y neutrones. La fuerza débil, que media en ciertas reacciones nucleares, es transportada por dos partículas fundamentales, los bosones W y Z. Los neutrinos, que solo sienten la fuerza débil y la gravedad, interactúan con estos bosones, por lo que los físicos pudieron primero proporcionar evidencia de su existencia utilizando neutrinos, según el CERN.

La mayor parte de la energía de una supernova que colapsa se irradia en forma de neutrinos, producidos cuando los protones y electrones en el núcleo se combinan para formar neutrones.
La mayor parte de la energía de una supernova que colapsa se irradia en forma de neutrinos, producidos cuando los protones y electrones en el núcleo se combinan para formar neutrones. Foto: IStock.

La gravedad es algo extraño aquí. No está incorporada en el modelo estándar, aunque los físicos sospechan que podría tener una partícula fundamental asociada, que se llamaría gravitón. Si existen gravitones, podría ser posible crearlos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Ginebra, Suiza, pero desaparecerían rápidamente en dimensiones adicionales. Hasta ahora, el LHC no ha visto evidencia de gravitones o dimensiones extra.

El escurridizo bosón de Higgs

Finalmente, está el bosón de Higgs, el rey de las partículas elementales, que es el responsable de dar su masa a todas las demás partículas. Su búsqueda fue un gran esfuerzo para los científicos. Cuando finalmente se detectó, en 2012, los físicos se regocijaron, pero los resultados también los dejaron en una situación extraña.

El bosón de Higgs se ve exactamente como se predijo que se vería, pero los científicos esperaban más

El bosón de Higgs se ve exactamente como se predijo que se vería, pero los científicos esperaban más. Se sabe que el modelo estándar está incompleto; por ejemplo, carece de una descripción de la gravedad, y los investigadores pensaron que encontrarlo ayudaría a señalar otras teorías que podrían reemplazar al modelo estándar. Pero hasta ahora, no ha ocurrido.

Fuente: Livescience.

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