Partículaselementales
Todo lo que ves, tocas y eres — cada piedra, cada planta, cada pensamiento — está formado por diminutos bloques de construcción. A estos bloques se les llama partículas elementales. Son tan pequeñas que en un solo vaso de agua hay más de ellas que granos de arena en toda la Tierra. En esta página descubrirás qué partículas existen, cómo se relacionan entre sí y por qué constituyen el fundamento de la física moderna.
Tres familias — un solo mundo
La física conoce hoy exactamente 17 partículas elementales distintas — es decir, partículas que, según el conocimiento actual, no pueden dividirse más. Se agrupan en tres grandes categorías: los Quarks forman la materia, los leptones son partículas de materia independientes, y los bosones transmiten las fuerzas.
La tabla de partículas
De forma similar a la tabla periódica de los elementos en química, en física existe un resumen de todas las partículas elementales conocidas: el modelo estándar. Es una de las teorías más precisas y exitosas que la ciencia ha desarrollado jamás. Las partículas están ordenadas en tres generaciones: cada generación superior es más pesada y de vida más corta que la anterior.
| I. Generación | II. Generación | III. Generación | Bosones | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Quarks ↑ | u Up +⅔ 2,3 MeV | c Charm +⅔ 1,27 GeV | t Top +⅔ 173 GeV | γ Fotón 0 0 | g Gluón 0 0 | |||
| Quarks ↓ | d Down −⅓ 4,8 MeV | s Strange −⅓ 95 MeV | b Bottom −⅓ 4,18 GeV | |||||
| Leptones | e⁻ Electrón −1 0,511 MeV | μ Muon −1 105,7 MeV | τ Tau −1 1,777 GeV | W Bosón W ±1 80,4 GeV | H Higgs 0 125 GeV | |||
| Neutrinos | νₑ Neutrino-e 0 ≈ 0 | νμ Neutrino-μ 0 ≈ 0 | ντ Neutrino-τ 0 ≈ 0 | Z Bosón Z 0 91,2 GeV | ||||
Quarks — lo más íntimo de la materia
Los Quarks son los bloques de construcción más pequeños conocidos de la materia — pero nunca se muestran solos. Siempre existen en grupos ligados: dos o tres Quarks juntos forman los llamados hadrones. Los más conocidos son el protón y el neutrón, los bloques de construcción de todos los núcleos atómicos. Un protón está formado por dos Quarks Up y un Quark Down; un neutrón, por un Quark Up y dos Quarks Down.
Existen seis tipos distintos de Quark, que los físicos llaman "sabores" (flavors): Up, Down, Charm, Strange, Top y Bottom. Estos nombres son simples etiquetas — los Quarks no tienen sabor, por supuesto. Lo que sí poseen es una propiedad especial llamada carga de color, que transmite la fuerza nuclear fuerte. Cada Quark lleva uno de tres "colores" — rojo, verde o azul. Al combinarlos de modo que resulten "incoloros" surge una partícula estable.
Los Quarks de la segunda y tercera generación — Charm/Strange y Top/Bottom — son mucho más pesados que los de la primera. El Quark Top pesa tanto como un átomo entero de oro, a pesar de ser una partícula elemental puntual. Estos Quarks pesados solo surgen en colisiones de altísima energía en aceleradores de partículas y se desintegran casi de inmediato en partículas más ligeras de la primera generación.
Leptones — los espíritus libres
Los leptones son partículas de materia que, a diferencia de los Quarks, no conocen el confinamiento — pueden existir libremente en la naturaleza. El leptón más conocido es el electrón, que forma la envoltura de todos los átomos y es responsable de los enlaces químicos. Sin electrones no habría moléculas, ni química, ni vida. El electrón se conoce desde hace más de cien años y fue una de las primeras partículas elementales que la ciencia llegó a descubrir.
Además del electrón existen otros dos leptones cargados: el muon (μ) y el tau (τ). Se comportan exactamente igual que el electrón, pero son mucho más pesados: el muon es unas 207 veces más pesado, y el tau, unas 3.477 veces. Por qué la naturaleza creó estas copias más pesadas del electrón sigue siendo, hasta hoy, uno de los grandes enigmas de la física. Ambas partículas son inestables y se desintegran en un instante.
Los tres neutrinos son partículas particularmente fascinantes: sin carga eléctrica, sin carga de color, y con una masa tan diminuta que durante décadas los físicos pensaron que carecían por completo de ella. Cada segundo, miles de millones de neutrinos atraviesan tu cuerpo — procedentes del Sol o de supernovas lejanas — sin dejar el más mínimo rastro. Son las partículas más esquivas que conocemos.
Bosones — mensajeros de las fuerzas
Junto a las partículas de materia existe una segunda clase: las partículas de fuerza, los bosones. Son los mediadores entre las partículas de materia — los mensajeros que transportan las fuerzas de una partícula a otra. El fotón es el bosón de la fuerza electromagnética: cada vez que brilla la luz, que un imán atrae o que cae un rayo, hay fotones en juego. El fotón carece de masa y siempre se mueve a la velocidad de la luz.
El gluón media la fuerza nuclear fuerte — aquella que mantiene unidos a los Quarks dentro de protones y neutrones. Su nombre viene del inglés "glue" (pegamento). Esta fuerza es, con diferencia, la más intensa de las cuatro fuerzas fundamentales a distancias cortas — lo bastante fuerte como para vencer la repulsión de los protones, cargados positivamente, dentro del núcleo atómico. Sin gluones no existirían núcleos atómicos estables.
El bosón W y el bosón Z median la fuerza nuclear débil, responsable de las desintegraciones radiactivas. El bosón de Higgs ocupa un lugar especial: es el cuanto del campo de Higgs, que confiere masa a las demás partículas. Su descubrimiento en 2012 en el CERN de Ginebra fue un triunfo histórico — tras décadas de búsqueda. Es la única partícula elemental de espín 0 conocida.
Fermiones y bosones — dos mundos
Las 17 partículas elementales pueden dividirse, según su espín, en dos categorías fundamentalmente distintas. Los fermiones tienen espín semientero (½) — a este grupo pertenecen todos los Quarks y leptones. Obedecen el principio de exclusión de Pauli: dos fermiones no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico. Precisamente por eso los átomos son estables — los electrones no se apilan todos en el nivel de energía más bajo, sino que ocupan orbitales distintos, lo que hace posible la diversidad de los elementos químicos.
Los bosones, en cambio, tienen espín entero (0, 1) y no están sujetos al principio de Pauli. Un número ilimitado de bosones puede ocupar el mismo estado — esa es la base del láser (muchos fotones en el mismo estado), de la superconductividad y de los condensados de Bose-Einstein, uno de los estados de la materia más exóticos que existen. Esta distinción se deriva directamente de la unión entre la relatividad y la mecánica cuántica — no es un esquema arbitrario, sino una necesidad matemática profunda.
Antimateria — el reflejo
Cada partícula elemental posee una antipartícula de carga opuesta pero igual masa. La antipartícula del electrón es el positrón; la del protón, el antiprotón. En el Big Bang, materia y antimateria se crearon en cantidades casi iguales — sin embargo, el universo actual está formado casi por completo de materia normal. Por qué surgió un desequilibrio mínimo que impidió la aniquilación mutua total es una de las preguntas abiertas más profundas de la física.
Cuando la materia se encuentra con la antimateria, se aniquilan mutuamente por completo — toda su masa se transforma en energía pura (E = mc²). Este proceso se llama aniquilación. En medicina, este efecto ya se aprovecha: en la tomografía por emisión de positrones (PET) se emplean positrones que, al aniquilarse con electrones en el cuerpo, generan rayos gamma que producen una imagen 3D precisa del metabolismo.
Tres generaciones — ¿por qué?
Las partículas del modelo estándar están ordenadas en tres generaciones. La primera generación — electrón, neutrino electrónico, Quark Up y Quark Down — forma la materia estable de cada día. Todos los átomos del universo están hechos de estas cuatro partículas. La segunda y la tercera generación son más pesadas e inestables: surgen en aceleradores de partículas o por radiación cósmica y se desintegran en un instante en partículas más ligeras de la primera generación.
Por qué la naturaleza eligió precisamente esta estructura triple, nadie lo sabe. En teoría podrían existir cuatro o cinco generaciones. Sin embargo, mediciones de precisión realizadas en el CERN han demostrado que existen exactamente tres tipos de neutrinos ligeros — lo que limita a tres el número de generaciones completas. Este hecho está firmemente incorporado en el modelo estándar, pero hasta hoy no está realmente explicado. Es una de las muchas señales de que el modelo estándar, pese a todos sus éxitos, aún no tiene la última palabra.
¿Son estos realmente los bloques más pequeños?
La palabra "elemental" significa: no divisible. Según el estado actual de la ciencia, las 17 partículas del modelo estándar se consideran puntuales — no tienen extensión medible. Pero la historia de la física muestra que partículas aparentemente fundamentales han resultado, una y otra vez, ser compuestas: los átomos se creyeron alguna vez indivisibles, luego llegaron los electrones y los núcleos atómicos, después los protones y neutrones, y más tarde los Quarks. Muchos físicos sospechan que podría existir una capa aún más profunda.
El modelo estándar es brillante — y sin embargo incompleto. No explica la gravedad a nivel cuántico, no da cuenta de la materia oscura (alrededor del 27 % del universo) y no explica por qué existen exactamente tres generaciones de partículas. La búsqueda de una teoría más abarcadora es el gran proyecto de la física del siglo XXI.