En nuestra vida cotidiana se encuentran los átomos y son los que permiten la construcción de la naturaleza, mas sin embargo, estos no son los constituyentes principales de la materia. Durante años se aceptó un modelo sencillo basado en la existencia de tan solo cuatro partículas “elementales”: protón, neutrón, electrón y fotón. Pero hoy en día se ha comprobado que la estructura del átomo es incluso mucho más compleja (Tipler y Mosca, 2017).
El término de partículas elementales hace referencia a las partes más pequeñas de la materia, a principios de siglo se creía que eran los átomos, pero al pasar los años los avances de la electrónica y radiactividad han demostrado lo contrario.
Los físicos las clasifican en dos categorías:
Los fermiones o partículas de materia.
Los bosones que son las partículas mediadoras de fuerza o partículas portadoras de interacciones fundamentales.
El siguiente blog, comenta sobre la clasificación de las partículas elementales que hoy en día son las más relevantes: leptones, hadrones, quaks, partículas de campo, modelo estándar (teoría más aceptada de las partículas elementales) y las leyes de conservación.
Las partículas que conforman a los átomos se caracterizan por experimentar diversas interacciones o fuerzas entre las cuales están : electromagnetismo , interacción gravitatoria , interacción nuclear fuerte (hadrónica) e interacción nuclear débil. Precisamente , el hecho de conocer dichas interacciones ha permitido la creación de una clasificación de partículas con el fin de identificarlas y describirlas.
La interacción fuerte o hadrónica , tal y como su nombre lo indica es una fuerza muy intensa ya que cumple la función de mantener el núcleo atómico unido. En este tipo de interacción participan las partículas denominadas hadrones , estos se encuentran compuestos por subunidades llamadas quarks.
Asimismo, los hadrones se dividen en dos tipos : bariones y mesones. Los primeros incluyen a los neutrones y los protones , también su número cuántico de spín es 1/2 , por otro lado , los mesones corresponden a los priones y kaones , además , poseen números cuánticos de spín enteros o ceros (Tipler y Mosca , 2017 , p 1011).
La interacción nuclear débil se describe como aquella capaz de generar desintegración B nuclear, a su vez , las partículas involucradas en esta fuerza son los leptones y quarks. En el caso de los leptones se dividen en: electrón , el muón y el tauón (Tipler y Mosca , 2017 , p 1011).
A continuación se muestra un esquema que resume la clasificación de las partículas anteriormente mencionadas , para observarlo en detalle presione la figura.
Figura 1. Clasificación de partículas según interacciones fuertes y débiles.
Para comprender aún más el tema , se recomienda observar el siguiente video:
En la actualidad se conoce que los quarks son partículas elementales, constituyentes de la materia, dado que no poseen estructura interna. Estas partículas tienen carga eléctrica fraccionaria, (+ 2/3) e para algunos tipos y (- 1/3) e para otros, y a demás no se encuentran aislados en la naturaleza, por el contrario, se confinan formando grupos llamados Hadrones, que dependiendo del número y las partículas que los compones, se dividen en dos tipos:
Mesones: formados por un Quark y un antiquark.
Bariones: formados por tres Quarks.
En la siguiente imagen se muestra como están agrupados y clasificados los hadrones:
Figura 2. Composición de los Hadrones.
Con el modelo de los quarks, propuesto por Gell-Mann y G. Zweig en 1963, donde propusieron que los hadrones están compuestos por combinaciones de dos a tres partículas elementales llamados quarks, se dio a conocer la existencia de tres tipos de quarks: el quark up (u), el quark down (d) y el quark extraño (s). Los quarks u y d serían suficientes para construir la materia común, donde el protón estaría compuesto por dos quarks u y un quark d y el neutrón se constituiría de un quark u y dos quarks d. El cuarto quark fue propuesto para incluir el número cuántico de la extrañeza, mismo que pudo explicar la razón de por qué ciertas partículas creadas en colisiones provocadas en aceleradores de alta energía, como parte de los procesos experimentales, descubriendo que estos tendrían la extraña propiedad de existir durante períodos de tiempo más largos que los previstos teóricamente. En este caso que la carga del protón continuaría siendo +e, pues el quark u tendría carga +2/3e y el quark tendría carga -1/3e (luego, 2/3e +2/3e -1/3e = +e, carga del protón), mientras que el neutrón continuaría desprovisto de carga (2/3e - 1/3e - 1/3e = 0). (Tripler y Mosca, 2017)
Actualmente, de acuerdo a Escobar (s.f), existen seis tipos de quarks (con los correspondientes antiquarks) que los físicos de partículas han denominado de manera arbitraria, y se muestran seguidamente, con las respectivas fechas en que fueron descubiertos:
- Quark up (arriba) o simplemente u ---> carga eléctrica +⅔ y descubierto en el año 1964.
- Quark down (abajo) o simplemente d ---> carga eléctrica -⅓ y descubierto en el año 1968.
- Quark charm (encantado) o simplemente c ---> carga eléctrica +⅔ y descubierto en el año 1971.
- Quark strange (extraño) o simplemente s ---> carga eléctrica -⅓ y descubierto en el año 1964.
- Quark top (cima) o simplemente t ---> carga eléctrica +⅔ y descubierto en el año 1995.
- Quark bottom (fondo) o simplemente b ---> carga eléctrica -⅓ y descubierto en el año 1995. La siguiente tabla resume todas las propiedades de los quarks y los antiquarks.
Tabla 1. Propiedades de los quarks y antiquarks Fuente. https://es.wikipedia.org/wiki/Quark
A continuación se muestra una simulación del experimento de dispersión de Rutherford, que es análogo al de dispersión profundamente inelástica, mismos que pusieron en evidencia la existencia de los quarks dentro de un núcleo.
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En el siguiente vídeo se da una explicación de lo que son los quarks y de como se agrupan para formar parte de los protones y neutrones.
Se sugiere examinar el siguiente enlace para conocer más acerca de los quarks:
En cuanto al universo de física de partículas también se aplican leyes en su conservación de masa o carga eléctrica, o número de estas. Las leyes de conservación en partículas elementales son muy restrictivas en cuando a las posibilidades de reacciones, se acoge la hipótesis en que todo aquello que puede ocurrir sin violar leyes de la conservación, ocurrirá. Por lo que, si una reacción no ocurre, se buscan las razones para crear una nueva ley de conservación. (Christy et al ,1971).
1. Ley de conservación de la energía: En esta no se admite la desintegración de una partícula en la que su masa como producto sea mayor que la masa inicial. (Triper & Gene, 2008).
2. La conservación del momento lineal: Cuando un electrón y un positrón en reposo se aniquilan, se deben emitir dos fotones y no solo uno. (Triper & Gene, 2008).
Figura 3. Momento lineal.
3. Ley de carga eléctrica: En esta se delimitan a las partículas con carga eléctrica en capacidad de reaccionar y desintegrarse, ya que el electrón es la partícula más liviana, y esta ley involucra que ninguna partícula se podrá desintegrar en ninguna más liviana.(Triper & Gene, 2008)
4. Ley sobre la carga eléctrica neta: Esta deberá ser igual antes y después de una reacción o desintegración. (Triper & Gene, 2008)
5. Ley de conservación del número de bariones: A cada uno de los bariones se le establece un número bariónico B=1. Esto puede ser apreciado como semejante a asignar a cada quark un número bariónico de 1/3. Esto involucra que los mesones, con un quark y un antiquark, tienen un número bariónico B=0. Ninguna causa de decaimiento o interacción conocida en la naturaleza cambia el número neto de bariones.(hyperphysics.phy, 2016)
6. Ley de conservación del número de leptones: Hay un requisito separado para cada uno de los tres conjuntos de leptones, el electrón, el muón y el tau, y sus neutrinos asociados.Los leptones tienen asignado el valor de +1, antileptones −1, y partículas no leptónicas 0(Alfaro, 2011).
Figura 4. Número de Leptones.
7. Ley de la extrañeza: En partículas como el kaón o el hiperón fueran creadas fácilmente en colisiones, y destituidas aún más espaciosamente de lo esperado para sus grandes masas y producciones de sección eficaz. Al percatarse que las colisiones parecían siempre producir pares de estas partículas, se nombró a esa cualidad "extrañeza".(Alfaro, 2011)
8. Ley del Isopín: Es un número cuántico relacionado a la interacción fuerte y aplicada a las interacciones del neutrón y el protón,el cual explica las siguientes situaciones:
La masa de los neutrones y de los protones es casi idéntica, aunque el protón tiene carga positiva y el neutrón es neutro, son casi similares en todos los otros aspectos.
La fuerza de la interacción fuerte entre cualquier par de nucleones es la misma, independiente de si interactúan como protones o como neutrones.
La masa de un pion que media entre la interacción fuerte y los nucleones es la misma, independiente de los nucleones involucrados. (Alfaro, 2011)
Existen otras partículas llamadas cuantos o partículas de campo, las cuales están asociadas con las fuerzas ejercidas por una partícula elemental sobre otra. En la naturaleza se encuentran cuatro fuerzas, cada una de las cuales es debida a una propiedad fundamental de la materia. Según Moreira (2009), menciona que dichas propiedades son: la masa (interacción gravitacional), la carga eléctrica (interacción electromagnética), el color: rojo, verde, azul (interacción fuerte) y carga débil (interacción débil).
Las fuerzas fundamentales (gravitacional, electromagnética, fuerte y débil) están asociadas a los bosones, las partículas portadoras de esas fuerzas, encargadas de la interacción de las partículas elementales llamadas fermiones (quarks y leptones):
Fuerza electromagnética: medida por los fotones (y).
Fuerza gravitacional: medida por una partícula denominada gravitón, de la cual no ha sido probada su existencia.
Fuerza de interacción fuerte: medida por los gluones (g).
Fuerza interacción débil: medida por las partículas (W±) y (Z).
Estas partículas mediadoras, no tienen masa, pero tienen energía, de ahí se les denomina también partículas virtuales. El fotón no transporta carga eléctrica, a pesar de ser el portador de la interacción electromagnética. Igualmente, las partículas W y Z, no transportan carga débil, aunque son las mediadoras de la interacción débil. Sin embargo, los gluones si transportan la carga de interacción fuerte, denominada carga de color (Tipler y Mosca, 2017).
Figura 5. Bosones mediadores de las interacciones básicas.
Más que un modelo, es una teoría que sea ha ido armando con el paso de los años, el cual se identifica partículas y predice su interacción de mundo microscopio que no somos capaces de percibir, pero que las pruebas científicas indica que esta ahí.
Como lo muestrael Modelo Estándar, la gran cantidad de partículas elementales hasta hoy detectadas, son cerca de 300, ya sea en aceleradores o colisionadores de partículas o en rayos cósmicos, puede ser agrupada en leptones, quarks y hadrones o en leptones y hadrones, ya que los quarks son constituyentes de los hadrones o, también, en leptones, bariones y mesones, pues los hadrones pueden ser divididos en bariones y mesones(Moreira, 2009)
Figura 6. Modelo Estándar.
Los leptones y quarks son partículas verdaderamente elementales, en el sentido de que no poseen estructura interna. Las partículas que tienen estructura interna se llaman hadrones; están constituidas por quarks: bariones cuando están formadas por tres quarks o tres antiquarks, o mesones cuando están constituidas por un quark y un antiquark.(Moreira, 2009)
Figura 7. Quarks y Leptones.
Se han encontrado seis leptones (electrón, muón, tau, neutrino del electrón, neutrino del muón y neutrino del tau) y seis quarks [quark up (u) quark down (d), quark charm (c), quark extraño (s), quark bottom (b) y quark top (t)]. Pero, los quarks tienen una particularidad llamada color3 y cada uno puede presentar tres colores (rojo, verde y azul). Hay, por tanto, 18 quarks. Pero, como a cada partícula le corresponde una antipartícula, existirían en total 12 leptones y 36 quarks.(Moreira, 2009)
Figura 8. Modelo estándar de las partículas elementales.
Las partículas elementales hace referencia a las partes más pequeñas de la materia, las cuales se clasifican en fermiones y bosones.
Las partículas de campo, están asociadas con las fuerzas ejercidas por una partícula elemental sobre otra, y esas fuerzas son: gravitacional, electromagnética, fuerte y débil.
Los quaks son las partículas elementalmente fundamentales en la constitución de la materia.
El núcleo atómico está formado por protones y neutrones unidos fuertemente por la interacción hadrónica.
Las interacciones débiles participan en la desintegración B nuclear.
Conocer el mundo más allá de lo microscópico y entenderlo, permite tener un mejor entendimiento del comportamiento del mundo microscópico y a la vez del macroscópico.
El modelo estándar se ha actualizado con los años con nuevos descubrimientos en estructuras de partículas o reacciones, entre otras variables, pero al fin y al cabo es una teoría, ya que hay muchas partículas que aún no se ha demostrado su existencia para encajar totalmente en un modelo.
Como se puede entender en la creación de leyes de conservación en partículas eleméntales, se ponen a reaccionar conjuntos de partículas y si no ocurre reacción, se busca el porqué, de aquí deriva cada nueva ley de conservación, dentro del entendimiento del mundo cuántico es la opción más viable, debido a que hay mucho de lo que falta por descubrir.
Alfaro, J. (2011). Fuerzas. Recuperado de http://www.fis.puc.cl/~jalfaro/Fiz0311/clases/fisicadeparticulas.pdf.
Christy, R. W., &Pytte, A. (1971). Estructura de la materia. Reverté.
Escobar, J. (s.f). Los quarks son elementos fundamentales de la materia visible. Recuperado de: https://astrojem.com/teorias/quarks.html
Hyperphysics.phy. (2006). Interacciones de Partículas y Leyes de Conservación. Recuperado de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Particles/parint.html.
Moreira, M. A. (2009). El modelo estándar de la física de partículas.Revista Brasileña de Enseñanza de Física, 31(1): 1306.
Tipler, P. A., & Mosca, G. (2017). Física para la Ciencia y la Tecnología. 6 ed. Barcelona. Editorial: Reverté.
Triper, P., & Gene, M. (2008). Física para la ciencia y la tecnología. New York: Reverté.
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