Partícula elemental
En física, una partícula elemental o fundamental es una partícula que no está formada por otras partículas.
Una partícula elemental puede ser de dos grupos: un fermión o un bosón. Los fermiones son los bloques de construcción de la materia y tienen masa, mientras que los bosones se comportan como portadores de fuerzas para las interacciones de los fermiones y algunos de ellos no tienen masa. El Modelo Estándar es la forma más aceptada de explicar el comportamiento de las partículas y las fuerzas que las afectan. Según este modelo, las partículas elementales se agrupan en quarks, leptones y bosones gauge, teniendo el bosón deHiggs un estatus especial como bosón no gauge.
De las partículas que componen un átomo, sólo el electrón es una partícula elemental. Los protones y los neutrones están formados cada uno por 3 quarks, lo que los convierte en partículas compuestas, partículas que están hechas de otras partículas. Los quarks están unidos por los gluones. El núcleo tiene campos de piones bosónicos responsables de la fuerza nuclear fuerte que une a protones y neutrones contra la repulsión electrostática entre protones. Dichos piones virtuales están compuestos por pares quark-antiquark, de nuevo unidos por gluones.
Hay tres propiedades básicas que describen una partícula elemental: "masa", "carga" y "espín". A cada propiedad se le asigna un valor numérico. Para la masa y la carga el número puede ser cero. Por ejemplo, un fotón tiene masa cero y un neutrino tiene carga cero. Estas propiedades son siempre las mismas para una partícula elemental.
- Masa: Una partícula tiene masa si se necesita energía para aumentar su velocidad, o para acelerarla. La tabla de la derecha indica la masa de cada partícula elemental. Los valores se dan en MeV/c2s (que se pronuncia megaelectronvoltios sobre "c" al cuadrado), es decir, en unidades de energía sobre la velocidad de la luz al cuadrado. Esto proviene de la relatividad especial, que nos dice que la energía es igual a la masa por el cuadrado de la velocidad de la luz. Todas las partículas con masa producen gravedad. Todas las partículas se ven afectadas por la gravedad, incluso las que no tienen masa, como el fotón (véase la relatividad general).
- Carga eléctrica: Las partículas pueden tener carga positiva, negativa o ninguna. Si una partícula tiene carga negativa y otra carga positiva, las dos partículas se atraen. Si las dos partículas tienen carga negativa, o ambas tienen carga positiva, las dos partículas se separan. En distancias cortas, esta fuerza es mucho más fuerte que la fuerza de la gravedad, que atrae a todas las partículas. Un electrón tiene carga -1. Un protón tiene carga +1. Un neutrón tiene una carga media de 0. Los quarks normales tienen una carga de ⅔ o -⅓.
- Espín: El momento angular o giro constante de una partícula tiene un valor particular, llamado su número de espín. El espín para las partículas elementales es uno o ½. La propiedad de espín de las partículas sólo denota la presencia de momento angular. En realidad, las partículas no giran.
La masa y la carga son propiedades que vemos en la vida cotidiana, porque la gravedad y la electricidad afectan a las cosas que los humanos ven y tocan. Pero el espín sólo afecta al mundo de las partículas subatómicas, por lo que no se puede observar directamente.
Modelo estándar de partículas elementales. 1 GeV/c = 12,783x10 kg-27. 1 MeV/c = 12,783x10 kg-30.
Fermiones
Los fermiones (llamados así por el científico Enrico Fermi) tienen un número de espín de ½, y son quarks o leptones. Hay 12 tipos diferentes de fermiones (sin incluir la antimateria). Cada tipo se denomina "sabor". Los sabores son:
- Quarks: up, down, charm, strange, top, bottom. Los quarks vienen en tres pares, llamados "generaciones". La primera generación (up y down) es la más ligera y la tercera (top y bottom) es la más pesada. Un miembro de cada par (up, charm y top) tiene una carga de ⅔. El otro miembro (abajo, extraño y abajo) tiene una carga de -⅓.
- Leptones: electrón, muón, tau, neutrino electrónico, neutrino muón, neutrino tau. Los neutrinos tienen carga 0, de ahí el prefijo neutr-. Los demás leptones tienen carga -1. Cada neutrino recibe el nombre de su correspondiente leptón original: el electrón, el muón y el tauón.
Se cree que seis de los 12 fermiones son eternos: los quarks up y down, el electrón y los tres tipos de neutrinos (que cambian constantemente de sabor). Los demás fermiones decaen. Es decir, se descomponen en otras partículas una fracción de segundo después de su creación. La estadística de Fermi-Dirac es una teoría que describe cómo se comportan las colecciones de fermiones. Esencialmente, no se puede tener más de un fermión en el mismo lugar al mismo tiempo.
Bosones
Los bosones, llamados así por el físico indio Satyendra Nath Bose, tienen espín 1. Aunque la mayoría de los bosones están formados por más de una partícula, hay dos tipos de bosones elementales:
- Bosones gauge: gluones, bosones W+y W-, 0bosonesZ y fotones. Estos bosones son portadores de 3 de las 4 fuerzas fundamentales y tienen un número de espín de 1;
- Gluón: Los gluones son partículas sin masa y sin carga, y son los portadores de la interacción de la fuerza fuerte. Junto con los quarks, se unen para formar partículas compuestas llamadas hadrones, que incluyen protones y neutrones.
- Bosones W y Z: Los bosones W y Z son partículas portadoras de la fuerza débil. El bosón W tiene una partícula de materia (W+ ) y otra de antimateria (W- ), mientras que el bosón Z es su propia antipartícula. El bosón W se produce en la desintegración beta, pero se convierte casi inmediatamente en un neutrino y un electrón. Los bosones W y Z fueron descubiertos en 1983.
- Fotón: Los fotones son partículas sin masa y sin carga que transmiten la fuerza electromagnética. Los fotones pueden tener una determinada frecuencia que determina qué radiación electromagnética son. Como todas las demás partículas sin masa, viajan a la velocidad de la luz (300.000 km/s).
- Bosón de Higgs: Los físicos creen que las partículas masivas tienen masa (es decir, no son puros paquetes de energía como los fotones) debido a la interacción de Higgs.
El fotón y los gluones no tienen carga, y son las únicas partículas elementales que tienen masa 0 con seguridad. El fotón es el único bosón que no decae. La estadística de Bose-Einstein es una teoría que describe cómo se comportan las colecciones de bosones. A diferencia de los fermiones, es posible tener más de un bosón en el mismo espacio al mismo tiempo.
El Modelo Estándar incluye todas las partículas elementales descritas anteriormente. Todas estas partículas se han observado en el laboratorio.
El Modelo Estándar no habla de la gravedad. Si la gravedad funciona como las otras tres fuerzas fundamentales, entonces la gravedad es transportada por el bosón hipotético llamado gravitón. El gravitón aún no se ha encontrado, por lo que no se incluye en la tabla anterior.
El primer fermión descubierto, y el que más conocemos, es el electrón. El primer bosón que se descubrió, y también el que más conocemos, es el fotón. La teoría que explica con mayor precisión el funcionamiento conjunto del electrón, el fotón, el electromagnetismo y la radiación electromagnética se llama electrodinámica cuántica.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué son las partículas elementales?
R: Las partículas elementales son partículas que no están formadas por otras partículas.
P: ¿A cuántos grupos pertenecen las partículas elementales?
R: Las partículas elementales pueden pertenecer a uno de estos dos grupos: fermiones o bosones.
P: ¿Qué es el Modelo Estándar?
R: El Modelo Estándar es la forma más aceptada de explicar cómo se comportan las partículas y las fuerzas que las afectan.
P: ¿Cómo se agrupan las partículas elementales según el Modelo Estándar?
R: Según el Modelo Estándar, las partículas elementales se agrupan a su vez en quarks, leptones y bosones gauge, teniendo el bosón de Higgs un estatus especial como bosón no gauge.
P: ¿Los protones y los neutrones se consideran partículas elementales?
R: No, los protones y los neutrones no se consideran partículas elementales porque cada uno de ellos está formado por 3 quarks, lo que los convierte en partículas compuestas, es decir, formadas por otras partículas más pequeñas.
P: ¿Qué propiedades describen a una partícula elemental?
R: Hay tres propiedades básicas que describen una partícula elemental - masa, carga y espín - a cada propiedad se le asigna un valor numérico.
P: ¿Afecta la gravedad a todos los tipos de partículas, incluso a las que no tienen masa, como los fotones?
R: Sí, todos los tipos de partículas, incluso las que no tienen masa como los fotones, experimentan la gravedad debido a la relatividad general.
