En física, una partícula elemental o fundamental es una partícula que no está formada por otras partículas. Estas partículas constituyen la estructura más básica del universo conocido y sus propiedades y relaciones se describen, con gran éxito experimental, mediante el Modelo Estándar de la física de partículas.

Tipos: fermiones y bosones

Una partícula elemental puede pertenecer a dos grandes familias: fermións o bosóns. Los fermións son los constituyentes de la materia: tienen espín semientero (p. ej. 1/2) y obedecen el principio de exclusión de Pauli, lo que les permite ocupar estados cuánticos distintos y formar estructuras estables (átomos, moléculas, sólidos). Los bosóns tienen espín entero (0, 1, ...) y tienden a agruparse en el mismo estado cuántico; muchos bosones actúan como portadores de fuerza entre fermiones.

Según el Modelo Estándar, las partículas elementales se organizan en:

  • Quarks: seis "sabores" (up, down, charm, strange, top, bottom), con carga fraccionaria y una propiedad adicional llamada carga de color que hace que los quarks estén confinados dentro de hadrones (protones, neutrones, mesones). Los quarks interactúan fuertemente mediante los gluones.
  • Leptones: incluyen al electrón, el muón, el tau y sus neutrinos asociados; los leptones no tienen carga de color.
  • Bosones gauge: portadores de las interacciones fundamentales descritas por teorías de gauge (fotón para el electromagnetismo, gluones para la interacción fuerte, y los bosones W± y Z para la interacción débil).
  • El bosón deHiggs, un bosón escalar no gauge responsable, en el marco del Modelo Estándar, del mecanismo que genera las masas de ciertas partículas mediante la ruptura espontánea de simetría.

Partículas en el átomo y partículas compuestas

De las partículas que componen un átomo, sólo el electrón es una partícula elemental en el sentido del Modelo Estándar. Los protones y los neutrones están formados cada uno por tres quarks, por lo que son partículas compuestas (hadrones). Los quarks dentro de protones y neutrones están unidos por gluones: la interacción fuerte, descrita por la cromodinámica cuántica (QCD), es la responsable de este confinamiento.

En el núcleo atómico existe además una fuerza residual de la interacción fuerte que se manifiesta como un intercambio virtual de mesones (como los piones), que son pares quark-antiquark unidos por gluones. Estos piones virtuales actúan como mediadores de la fuerza nuclear que mantiene unidos a protones y neutrones frente a la repulsión electrostática entre protones.

Propiedades básicas de una partícula elemental

Hay tres propiedades fundamentales que describen una partícula elemental: masa, carga y espín. Cada una tiene un valor numérico característico —en algunos casos igual a cero— y permanecen invariables para un tipo dado de partícula en condiciones normales.

  • 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).

    Adicionalmente: en el Modelo Estándar la adquisición de masa para fermiones y bosones electrodébiles se explica mediante el mecanismo de Higgs; sin embargo, la naturaleza precisa de la masa de neutrinos (muy pequeña) y la jerarquía de masas entre partículas siguen siendo cuestiones activas de investigación.

  • 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.

    Existen además otras "cargas" en física de partículas: la carga de color (relacionada con la interacción fuerte) y las cargas asociadas a interacciones de gauge, que definen cómo interactúa cada partícula con los campos correspondientes.

  • 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.

    Más concretamente: los fermiones tienen espín semientero (½, 3/2, ...) y siguen estadísticas de Fermi–Dirac; los bosones tienen espín entero (0, 1, 2, ...) y siguen estadísticas de Bose–Einstein. El espín determina, entre otras cosas, el comportamiento cuántico colectivo y la clasificación en fermiones o bosones.

La masa y la carga son propiedades que vemos en la vida cotidiana porque la gravedad y las fuerzas electromagnéticas afectan a objetos macroscópicos. El espín, aunque fundamental para la estructura cuántica (por ejemplo, el enlace químico y la conductividad eléctrica dependen del espín electrónico), se manifiesta principalmente a nivel subatómico y en efectos cuánticos observables (imanes, resonancias, estadísticas cuánticas).

Otros conceptos relevantes

  • Antipartículas: Cada partícula elemental tiene una antipartícula con igual masa y espín pero carga opuesta (salvo casos neutros). La aniquilación partícula–antipartícula convierte su masa en energía (fotones u otras partículas).
  • Partículas virtuales: Son excitaciones cuánticas transitorias que median interacciones en diagramas de Feynman; permiten describir fuerzas y efectos de segundo orden, aunque no sean directamente detectables como estados libres.
  • Confinamiento y libertad asintótica: Los quarks y gluones están confinados dentro de hadrones a bajas energías; a energías muy altas se comportan casi libres (libertad asintótica), un resultado clave de la QCD.
  • Experimentos: Los detectores en colisionadores (como el LHC) y experimentos de neutrinos, entre otros, han medido multitud de propiedades de partículas; en 2012 se confirmó experimentalmente la existencia del bosón deHiggs.

Preguntas abiertas

Aunque el Modelo Estándar describe con precisión muchas observaciones, quedan preguntas sin resolver: ¿qué es la materia oscura?, ¿cómo se integra la gravedad cuántica con el resto de interacciones?, ¿cuál es el origen de la asimetría materia–antimateria?, y ¿por qué las masas de las partículas presentan la jerarquía observada? Además, la naturaleza exacta de la masa de los neutrinos, la existencia de partículas más allá del Modelo Estándar y la solución al problema de la jerarquía siguen siendo temas activos de investigación teórica y experimental.

En resumen, las partículas elementales —fermiones y bosones— y sus propiedades (masa, carga, espín) constituyen la base de nuestra comprensión del universo a escala microscópica. La física de partículas continúa profundizando en estas estructuras con experimentos cada vez más precisos y con teorías que intentan completar el marco actual.