Una partícula elemental es aquella que no puede ser descompuesta en partículas más pequeñas. En otras palabras, las partículas elementales “son los ladrillos básicos con los que están hechas todas las cosas”. La figura 1 muestra un resumen de ellas.
Con el descubrimiento de las partículas subatómicas (electrón, protón y neutrón), los científicos dieron un gran paso en el conocimiento fundamental de la materia. Pero, también se plantearon nuevas preguntas, que les permitieron avanzar aún más, en la física de las partículas elementales.
¿Cuáles son las partículas elementales?
Hacia 1969, se realizaron experimentos, en los que colisionaban protones con otros protones o con electrones a muy alta velocidad. Como resultado, se obtuvieron partículas más pequeñas llamadas quarks. Los científicos afirman que hay 6 clases de quarks. Los han llamado, curiosamente, con los nombres: “Arriba”, “Abajo”, “Extraño”, “Encanto”, “Fondo” y “Cima”. Adicionalmente, afirman que cada uno puede tener unos de tres colores diferentes (rojo, verde o azul). Por supuesto, no se trata de colores en el sentido normal de la palabra. Es solo una forma de nombrarlos.
No podemos ver los átomos porque la longitud de onda de la luz visible es más grande que ellos. Entonces, para detectarlos, los científicos usan ondas con longitudes de onda mucho más pequeñas. Estas ondas tienen mayor frecuencia y, en consecuencia, mayor energía. Un experimento como el citado arriba, requiere de millones de electrón-voltios de energía.
Los protones y los neutrones están formados, cada uno, por 3 quarks. Un protón tiene dos quarks “Arriba” y uno “Abajo”. Por su parte, un neutrón tiene dos quarks “Abajo” y uno “Arriba”.
Ahora, cuando nos pregunten: ¿Cuáles son las partículas elementales del átomo? La respuesta puede ser: las partículas elementales del átomo son los electrones y los quarks. Estos últimos forman los protones y los neutrones.
Clasificación de las partículas elementales
De acuerdo con el principio de dualidad onda partícula, “todo en el universo, incluyendo la luz y la gravedad, se puede describir en términos de partículas”.
Las partículas tienen una propiedad llamada spin. La mecánica cuántica enseña que el spin está relacionado con la manera como se ve una partícula desde diversos ángulos. Así, por ejemplo, una partícula de spin cero, se ve igual desde cualquier ángulo. Es como un punto.
Las partículas conocidas del universo se dividen en dos grupos. Las que tienen spin ½ forman la materia del universo. Las que tienen spin 0, 1 y 2, dan origen a fuerzas entre las partículas materiales.
Las partículas de spin ½, responden al principio de exclusión de Pauli. Este principio dice que dos partículas similares no pueden permanecer en el mismo estado energético. Por otro lado, el principio de exclusión explica por qué las partículas materiales no colapsan. Es decir, por qué los quarks forman protones y neutrones estables y por qué, ellos junto con los electrones, forman átomos estables. Además, estas partículas se denominan partículas reales porque se pueden detectar directamente y tienen masa. La masa de un electrón, por ejemplo, es 9,11×10-31 kilogramos.
Las partículas de spin entero (0, 1 o 2) no tienen masa y no siempre se pueden detectar directamente. Así mismo, no responden al principio de exclusión. Es decir, no existe límite al número de partículas que se pueden intercambiar. Estas partículas se conocen, también, como partículas virtuales o partículas portadoras de fuerza.
¿Cómo se relacionan las partículas materiales o reales, con las partículas virtuales?
Las partículas virtuales son como la moneda energética de las partículas reales. Por ejemplo, cuando un electrón en un átomo, pasa de un nivel de energía permitido a otro más externo, este libera partículas portadoras de fuerza. En este caso, dichas partículas son fotones y se detectan como destellos luminosos. Análogamente, para que un electrón pase a un nivel más interno, debe absorber fotones. Es decir, debe absorber partículas portadoras de fuerza. En términos generales, las fuerzas o interacciones entre partículas materiales, son transmitidas por partículas virtuales.
Las fuerzas del universo
Las partículas portadoras de fuerza se agrupan en 4 categorías, de acuerdo con el tipo de fuerza con la que se relacionan. La tabla 1 muestra un resumen.
Fuerza gravitatoria
Es la más débil de las fuerzas y en muchos casos es imperceptible. No obstante, las fuerzas débiles de las partículas de los cuerpos grandes se suman hasta producir una fuerza total significativa. Esta fuerza total, por ejemplo, hace girar la Tierra alrededor del Sol. La fuerza gravitacional tiene dos propiedades: actúa a grandes distancias y siempre es atractiva. Esta fuerza es transmitida por una partícula de spin 2 llamada gravitón.
Fuerza electromagnética
Esta interactúa con partículas cargadas eléctricamente como los electrones y los quarks, pero no con las partículas sin carga. Ciertamente, esta fuerza es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria. No obstante, solo actúa a pequeñas distancias y puede ser atractiva o repulsiva. En otras palabras, a distancias propias de átomos y moléculas, dominan las fuerzas electromagnéticas. Por ejemplo, en la atracción entre los electrones cargados negativamente y los protones con carga positiva. La fuerza electromagnética es causada por el intercambio de gran cantidad de partículas virtuales, sin masa y de spin 1, llamadas fotones.
Cuando un electrón pasa a una órbita más cercana al núcleo, libera energía emitiendo un fotón. En este caso, el fotón es observado como luz visible por el ojo humano y se dice que es un fotón real.
Fuerza nuclear débil
Esta fuerza es responsable de la radiactividad y actúa sobre partículas materiales de spin ½. Además, es producida por el intercambio de partículas virtuales de spin 1, llamadas bosones. Estos son de 3 clases (W+, W─ y Z0) y tienen enormes cargas medidas en giga-electrón-voltios (GeV). Aun así, esta fuerza es de muy corto alcance.
Fuerza de interacción nuclear fuerte
Esta fuerza mantiene a los quarks unidos en el protón y el neutrón y, además, a protones y neutrones juntos en el núcleo del átomo. Por otro lado, es transmitida por partículas virtuales de spin 1, llamadas gluones. Esta fuerza tiene una propiedad llamada confinamiento, que consiste en unir a las partículas en condiciones específicas. Por ejemplo, une a través de una “cuerda”, un quark rojo, uno verde y uno azul, constituyendo un protón o un neutrón.
La teoría de la unificación
Esta teoría dice que las partículas portadoras de fuerza parecen diferentes a bajas energías. Sin embargo, a muy altas energías se comportan como si se tratara del mismo tipo de partícula.
Referencia: Hawking Stephen, la historia del tiempo.
Taller de lectura
- ¿Qué es una partícula elemental?
- Copie la figura 1.
- ¿Cómo han llamado, curiosamente, a los quarks?
- ¿Por qué no podemos ver los átomos?
- ¿Cuáles son las partículas elementales del átomo?
- ¿Qué tipo de spin tienen las partículas que forman la materia?
- ¿A qué dan origen las partículas de spin entero?
- Escriba 3 características de las partículas de spin ½ y, además, 3 características de las partículas de spin entero.
- Copie la tabla 1.
- Escriba un ejemplo de lo que hace la fuerza gravitatoria.
- ¿Cómo se ve un fotón cuando un electrón pasa a una órbita más cercana al núcleo?
- ¿Cuántas clases de bosones hay y cuál es su carga?
- La fuerza de interacción nuclear fuerte tiene una propiedad llamada confinamiento. ¿En qué consiste?
- ¿Qué dice la teoría de la unificación?