Guía del mundo subatómico (parte 1)

Advertencia, no siga leyendo si no tiene paciencia. Este post seguramente queda algo largo, pero el tema amerita como mínimo dos entradas. En esta primera entrega vamos a nombrar solo las particular que realmente existen o de las que hay pruebas fehacientes de que existen, en la segunda entrega vamos a hablar de las partículas que existen teóricamente, pero que aún no se han descubierto.

Muones, neutrinos, el famoso bosón de Higgs. Con tantas partículas subatómicas diferentes volando, no es de extrañar que la física teórica pueda ser tan confusa. En esta pequeña guía (algo resumida, no podemos explicar en un post toda una rama de la física) vamos a tratar todas las partículas elementales.

Recordando clases de física subatómica

Parte de lo que hace difícil de entender esta rama de la física son las tantas maneras diferentes de organizar las partículas subatómicas, en función de la propiedad en la cual estamos interesado. Así que vamos a comenzar con las tres partículas subatómicas que la mayoría de la gente ha oído aunque sea una vez: electrones, protones y neutrones, los tres componentes de cualquier átomo. Eso significa que esas tres son los bloques básicos de construcción de casi toda la materia existente, o por lo menos, la materia de la variedad no oscuro.

Modelo atómico moderno

La física ha buscado la menor forma posible de la materia desde la época de los antiguos griegos, la palabra «átomo» tiene su origen en la palabra griega «indivisibles«. Por supuesto, la labor de los físicos a principios del siglo XX como JJ Thomson y Ernest Rutherford demostró que el átomo en realidad era divisible. Pero no fue hasta finales de 1960 que los científicos descubrieron que los protones y los neutrones eran partículas compuestas, el resultado de la combinación de partículas aún más pequeñas, conocidas como quarks.

Esto nos lleva a una de las divisiones más básicas de las partículas subatómicas: las partículas elementales, como los electrones y los quarks, y  partículas compuestas, como los protones y los neutrones. Las partículas elementales no tienen infraestructura, o sea no tienen elementos constitutivos más pequeños, al menos, ninguno que los físicos teóricos en la actualidad puede estar de acuerdo. (Aquí es donde la teoría de cuerdas entra en escena, pero como esto es un post no un libro, lo dejamos a un lado por ahora.)

Ahora, una de las propiedades más básicas de los electrones, protones y neutrones es su carga. Los electrones son negativos, los protones son positivos, y los neutrones son, como era de esperar, neutros. Es la fuerza de atracción electromagnética entre los protones y los electrones lo que mantiene unidos a los átomos, y las distintas tasas de iones que hacen que los átomos se combinen en moléculas. Pero vamos a mantenernos en el mundo subatómico.

Quarks de todos los sabores

Lo que hay que tener en cuenta es que todas las partículas deben tener una carga electromagnética de -1, 0 ó 1. Éstas son las cargas de los electrones, neutrones y protones, respectivamente. (En realidad, ciertas partículas pueden tener una carga de 2 ó -2, pero lo realmente crucial es que todos las cargas deben ser números enteros, y -1, 0 y 1 lo son y también son las más comunes.) Eso es todo bastante simple , ¿o no? Ok, porque vamos a contradecir esto por completo. Será un tema recurrente.

Como hemos dicho, los protones y los neutrones están formados por diferentes combinaciones de quarks. Los quarks son uno de las tres grandes grupos de partículas elementales conocidas. Hay seis tipos o sabores de quarks, la mitad de los cuales tienen carga positiva y la otra mitad carga negativa. Aquí está la lista de los sabores y sus cargos: top (cima), encantado y los up (arriba), todos con carga 2/3e, por otro lado, los down (abajo), extraño, y los botton (fondo) tienen carga -1/3e.

Imagino que has visto la contradicción, más arriba dijimos que todas las partículas tienen una carga entera de -1, 0 ó 1, pero todos estos quarks tienen carga fraccionaria. ¿Qué ocurre? Esto se debe a que los quarks no existen independientemente en la naturaleza, lo que queremos decir es que siempre se encuentra combinado, en pares o tríos. Estas combinaciones de quarks se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte y son conocidos colectivamente como hadrones, una palabra que puede sonarnos familiar del acelerador de partículas CERN, el Gran Colisionado de Hadrones. (Por cierto, vale la pena señalar que los quarks existieron de manera independiente, y habían partículas libres con carga fraccionada. Pero esto sólo ocurrió cuando el universo tenía sus primeros 10^-12 segundos de vida, cuando las leyes de la física no funcionaban de la misma manera que lo hacen ahora.)

Los Hadrones componen la gran mayoría de las partículas compuestas, tanto los protones como los neutrones son hadrones. En concreto, un protón está formado por dos quarks up (arriba) y un quark down (abajo), que le da su carga (desde el 2/3 + 2/3 – 1/3 = 1). Los neutrones tienen la estructura opuesto, tienen un quark up y dos quarks down, lo que suma una carga neutra (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0). Podemos ver la configuración del protón en la imagen de arriba, mientras que en la imagen que se encuentra a continuación se ve la configuración del neutrón. Cualquier hadrón que se compone de tres quarks que se conoce como un barión. Veremos los otro tipo de hadrones luego de ver a continuación los electrones.

Los electrones, neutrinos, leptones y otros

Los electrones son los miembros más conocidos del otro grupo de partículas elementales, los leptones. Al igual que los quarks, hay seis sabores de leptones. Estos sabores se pueden dividir en tres generaciones, cada generación sucesiva es mucho más masiva que la anterior. Lo mismo puede decirse de los quarks up y down son los más livianos; más arriba están encanto y extraño, por último y por lo tanto los más masivos son top (superior) y bottom (inferior). Sólo los más livianos de los leptones quarks se mantienen estables, razón por la cual los quarks up y down forman protones y neutrones, y es por eso que los electrones se encuentran en los átomos y no sus contrapartes más pesadas.

¿Cuáles son los seis sabores de leptones? Ya conocemos uno, el electrón. También probablemente ha oído hablar de otro miembro de su generación, el neutrino. El neutrino o, más exactamente, el electrón neutrino, es una partícula casi sin masa que fue propuesto por Wolfgang Pauli en 1930 para dar cuenta de la ligera pérdida de la energía total e impulso en un proceso conocido como desintegración beta, en el cual un neutrón decae en un electrón , un protón y un neutrino. (Técnicamente hablando, en realidad es un antineutrino electrónico que se emite, pero no vamos a complicar más la cosa.)

El electrón y el neutrino son la primera generación de leptones, y los otros cuatro leptones son los muones, neutrinos muón, tauón y el neutrino tauón. El electrón, muón y tauón tienen carga de -1, mientras que los tres neutrinos tienen una carga neutra. Por otro lado los quarks y los leptones, en conjunto forman un grupo conocido como los fermiones. Exactamente lo que hace un fermión es un poco complicado, pero basta con decir que los fermiones son todas las partículas constituyen la materia. ¿Qué pasa con el último grupo de las partículas elementales, los que no constituyen la materia?

Fuerzas de interacción

Los bosones se ocupan de las fuerzas fundamentales del universo. Ya hemos mencionado un par de ellas, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil, que es principalmente responsable del proceso de desintegración beta que estábamos discutiendo. (Debemos aclarar aquí que hay dos tipos de bosones. Los que son partículas elementales y los que son partículas compuestas. Los bosones elementales son más importantes para los fines de esta discusión y vamos a utilizar el término «bosón» sólo para los bosones elementales. Los bosones compuestos son más complicados, pero por ahora no nos vamos a preocupar de eso aquí.)

Todas estas fuerzas crean campos que pasan a través de la materia, y los bosones son responsables de llevar estas fuerzas fundamentales entre las partículas de materia. Sin los bosones actuando como mediadores, las partículas no serían capaces de experimentar los efectos de las distintas fuerzas, lo que significaría que no se podría combinar quarks en protones y neutrones sin la fuerza fuerte, ni se podría combinar electrones y protones para crear átomos sin la fuerza electromagnética.

Hay cuatro bosones elementales conocidos: fotones, que se encargan de la fuerza electromagnética, los gluones de la fuerza nuclear fuerte, y los bosones W y Z, que son responsables de la fuerza débil. Todos ellos tienen carga neutra, con excepción de los bosones W, que tienen carga -1. Tanto los gluones como los fotones tienen masa cero, lo que significa, de acuerdo a la relatividad general, que los dos deberán viajar a la velocidad de la luz. Eso parece un poco obvio, teniendo en cuenta que los fotones son partículas de luz, la misma con que nos baña el Sol todos los días, por mencionar sólo un ejemplo.

Hay un par de bosones que muchos físicos creen que existen pero que hasta ahora han eludido su detección: el famoso bosón de Higgs, que en teoría le da a todas las partículas su masa, y el gravitón, que se encarga transmitir la gravedad. El Modelo Estándar de la física sólo requiere el bosón de Higgs (al que ya le dedicaremos un post), la gravedad no se considera una fuerza fundamental en ese modelo. Sin embargo, otras teorías de la física de partículas las cuales si requieren la existencia del gravitón para llevar la fuerza entre las partículas como es la de la gravedad cuántica.

Resumiendo

Ya tenemos todos los ingredientes, con esto algo podemos hacer, Veamos la tabla (no dude en hacer click para ver en detalle):

Nombre y carga eléctrica de los componentes de la materia.

Los tres valores representados en la casilla de cada partícula son, de arriba a abajo, la masa en electrón-volt, su carga, y su espín (del que ya hemos hablado en otro post). Veamos cómo los quarks, leptones y bosones se unen para formar la materia y las fuerzas que experimentamos a diario.

Una visión general de las distintas familias de partículas elementales, y las teorías que describen sus interacciones.

Antipartículas

Hemos llegado casi al final de de las partículas conocidas, pero hay otros dos grupos que necesitamos para hacer frente: mesones y antipartículas. Los mesones son el otro tipo de hadrones, que cuentan con sólo dos quarks en vez de los tres que vimos en los bariones como los protones y los neutrones. Ahora, si prestamos atención a las cargas de quarks, nos daremos cuenta de que todos los quarks up-type tienen carga +2 /3e y todos los quarks up-type tienen carga -1 /3e. Eso significa que no hay manera de combinar sólo dos quarks para obtener un material compuesto de partículas con una carga entera, estamos en un tremendo problema, veamos como lo solucionamos.

En realidad no son dos quarks que se combinan para formar un mesón; es un quark y un antiquark. Antiquarks son un grupo de antipartícula, junto con los de antileptones y antibosones, y todas estas antipartículas tienen carga opuesta de su homólogo de partícula. Por ejemplo, uno de los mesones más común, el pión, está hecho de un up-quark y un down-antiquark, lo que le da una carga positiva (2/3 + 1/3 = 1).

Las antipartículas son casi idénticos a sus homólogos de partículas. Digo «casi» porque todavía hay una serie de características invertidas. Estas propiedades son más sutiles en el número bariónico, el número leptónico, y el color.

Las primeras dos propiedades son bastante fácil de calcular restando el número de antiquarks del número de quarks y el número de antileptones del número de leptones, pero ¿qué pasa con el color? Básicamente el color es el equivalente a la fuerza fuerte de la carga electromagnética, y es conocido como el color, ya que tiene tres aspectos básicos (en comparación con los dos aspectos de la carga, positivos y negativos), que han sido llamados «azules», «rojo», y «verde» por los colores primarios.

Pero además de estas características más sutiles y la carga, las antipartículas realmente son prácticamente indistinguibles de las partículas. Ellos tienen la misma masa, el mismo espín, la misma vida, etc, de hecho, un planeta Tierra de antimateria podría existir y sería exactamente igual que nuestra Tierra, excepto la carga que sería opuesta a la muestra (y algunas otras cosas de menor importancia, pero la carga sería la única diferencia evidente). Por supuesto, no existe una Tierra de antimateria, ya que por razones que sólo estamos empezando a comprender, la materia dominó en los primeros momentos del universo, por lo que cualquier antimateria que se llegue a la existencia es rápidamente aniquilada cuando por su materia de contrapartida.

Aquí está la parte difícil (bueno, la parte aún más difícil en todo caso). Antiquarks no sólo son antipartículas – son antipartículas elementales, y lo mismo pasa con otras antipartículas como el antineutrino o el antielectrón, que es mejor conocido como el positrón. Pero también hay antipartículas compuestas, como el antiprotón y antineutrón, y la relación entre las antipartículas elementales y compuestos no siempre es sencillo.

Para ver lo que quiero decir, vamos a echar veamos los piones. Es un mesón, que significa que es una partícula compuesta. Pero esta compuesto de un quark y un antiquark, es decir, la partícula es en partes iguales partícula y antipartícula elemental. Y eso es sólo un tipo de pión, el antipión tiene carga negativa, está compuesto de un down-quark y un up-antiquark (-1 / 3 – 2 / 3 =-1). Una vez más, una partícula elemental y una antipartícula elemental, pero esta vez el resultado es una antipartícula compuesta.

Esto también explica cómo algo así como un antineutrón puede existir. Hemos dicho que las antipartículas tienen carga opuesta de sus homólogos de partículas, pero el neutrón no tiene carga. Entonces, ¿cuál es la diferencia entre un neutrón y un antineutrón? Todo pasa por la composición del neutrón. Como sabemos, un neutrón tiene un quark up y dos quarks down abajo (2 / 3 – 1 / 3 – 1 / 3 = 0), pero un antineutrón tiene un antiquark up y dos antiquarks down (-2 / 3 + 1 / 3 + 1 / 3 = 0). A pesar de que la carga neta es la misma, los componentes se invierten y por eso es que los neutrones y antineutrones pueden aniquilarse uno al otro como los electrones y los positrones o protones y antiprotones cuando la materia y la antimateria se encuentran.

Pero esto sólo explica la existencia de antipartículas neutras compuestos, ¿pero que hay de las partículas elementales neutrales, como el neutrino? Ya hemos mencionado el antineutrino, por que lo distingue de los neutrinos. Bueno, la respuesta corta es… no hay forma de distinguirlo! No al menos en alguna forma que los físicos hayan encontrado. El antineutrino y el neutrino son aparentemente idénticos, lo que significa que pueden ser partículas de Majorana, es decir, una partícula que es su propia antipartícula.

Todos los bosones de carga neutra son definitivamente las partículas de Majorana, pero los neutrinos serían fermiones sólo por ganar ese título. Sin embargo, el consenso actual es que, aunque no es imposible, probablemente, los neutrinos no son partículas de Majorana, en parte debido a las propiedades cuánticas que mencionamos anteriormente.

También hay compuestos de partículas de Majorana, como el tercer tipo de pión, que se hace de un quark up y antiquark o quarks down. Ya que este mesón en particular es la combinación de una partícula con su propia antipartícula, no es sorprendente que sea su propia antipartícula.

Creo que con esto hemos descripto todas las partículas conocidas. En nuestra segunda entrada hablaremos de partículas teóricas. Por último les dejo las fuentes que en gran medida fue este blog, obvio san-wiki, y el blog de Andrew Zimmerman Jones.