Interacciones fundamentales de la naturaleza

HISTORIA El interés por descubrir la constitución interna de la materia se remonta a los filósofos griegos Leucipo y Demócrito. En el siglo XIX Dalton postula su teoría atómica, la cual se basaba en que la materia estaba formada por partículas pequeñas denominadas átomos, que eran indivisibles e indestructibles. Todos los átomos de un elemento eran iguales entre sí y diferentes de los átomos de los demás elementos, y se unían entre sí para formar compuestos químicos. El estudio de las descargas eléctricas en gases (rayos catódicos) llevó a J.J. Thomson en 1897 a descubrir el electrón (e-). Eugen Goldstein descubre los denominados rayos canales (carga positiva) y posteriormente Rutherford propone denominar protón a dicha partícula (p+) A principios del siglo XX se postula la existencia del neutrón (n, sin carga). Las investigaciones sobre el efecto fotoeléctrico llevan a Einstein a formular su teoría corpuscular de la luz y predecir la existencia del fotón, que sería una partícula sin masa ni carga eléctrica. Así pues, hasta entonces podía explicarse la constitución de la materia sólo con cuatro partículas elementales: el electrón, el protón, el neutrón y el fotón.

HISTORIA Investigando sobre una hipótesis de Paul Dirac, se descubrió en ese año el positrón por Carl Anderson. Es esta una partícula con la misma masa que el electrón y el mismo valor absoluto de carga, sólo que positiva (e+) . También se denomina antielectrón. Otra partícula descubierta fue el neutrino, postulada por W. Pauli, y detectada más tarde por un equipo de físicos de la universidad de Berkeley, entre los cuales se encontraban Segre y Chamberlain. En 1935 Hideki Yukawa propone la existencia de una partícula para explicar las fuerzas que mantienen unidos a los nucleones. Esta partícula se denominó mesón, ya que tenía una masa intermedia entre la del protón y la del electrón. En 1937 se descubre el muón, una partícula con la misma carga que el electrón, pero con una masa de una 200 veces la de éste. A partir de 1940 se descubrieron cientos de partículas elementales y además las correspondientes antipartículas, idénticas en masa y vida media, pero con carga opuesta.

partículas portadoras de fuerza Partículas portadoras de fuerza: Cada tipo de fuerza fundamental es "transportada" por una partícula portadora de fuerza (el fotón es un ejemplo). Partículas materiales: El Modelo Standard establece que la mayoría de las partículas de las cuales tenemos conocimiento están compuestas en realidad de partículas más fundamentales llamadas quarks. Hay otra clase de partículas fundamentales llamadas leptones (el electrón es un ejemplo). Es decir, hay dos clases de partículas: las partículas que son materia (como los electrones, los protones, los neutrones, y los quarks) y partículas que transportan fuerzas (como los fotones). Lo que hace que el Modelo Standard sea tan amplio es el hecho que todas las partículas observadas pueden ser explicadas con: 6 tipos de leptones 6 tipos de quarks, y partículas portadoras de fuerza

LEPTONES Hay seis leptones; tres de ellos tienen carga eléctrica y los otros tres no. El más conocido de los leptones cargados es el electrón (e). Los otros dos leptones cargados son el muón (µ) y la partícula tau, que son esencialmente electrones, pero de masa mucho mayor. Los leptones cargados son todos negativos. Los otros leptones son los neutrinos. No tienen carga eléctrica y su masa es despreciable. Existe un tipo de neutrino para cada tipo de leptón cargado eléctricamente. Para cada uno de los seis leptones hay un leptón de antimateria (antileptón), de igual masa pero de carga opuesta Los leptones pueden existir sin necesidad de la compañía de otras partículas. Los quarks, en cambio, sólo se encuentran agrupados. Hasta este momento no hay evidencias de que los leptones tengan alguna estructura interna o tamaño.

QUARK Hay seis quarks, pero los físicos hablan usualmente de tres pares de quarks: Up/Down, Charm/Strange, y Top/Bottom. Para cada uno de estos quarks hay un correspondiente quark de antimateria o antiquark. Los quarks tienen la inusual característica de tener carga eléctrica fraccionaria, de valor 2/3 ó -1/3, a diferencia de la carga -1 del electrón, o de la carga +1 del protón. Los quarks también transportan otro tipo de carga llamada carga de color, que veremos más adelante.

Las cargas fraccionarias de los quarks nunca son observadas directamente porque nunca están solos; forman partículas compuestas llamadas hadrones. La suma de las cargas eléctricas de los quarks, que constituyen un hadrón, es siempre un número entero. En tanto que los quarks individuales llevan carga de color, los hadrones son de color neutro. Tipos de hadrones: Bariones: Los bariones son los hadrones constituidos por tres quarks. Por ejemplo, los protones son 2 quarks up y 1 quark down y los neutrones son 1 up y 2 down. Mesones: Los mesones contienen un quark y un antiquark

GENERACIONES DE LA MATERIA Tanto los quarks como los leptones se clasifican en 3 conjuntos. A cada uno de estos conjuntos se denomina generación de partículas de materia. Una generación es un grupo formado por un quark y un leptón de cada uno de los tipos de carga. Cada generación es más pesada que la generación previa. Toda la materia visible en el universo está formada por partículas de materia de la primera generación: quarks up y down, y electrones. Las partículas de la segunda y tercera generaciones son inestables y decaen hacia partículas de la primera generación. Esta es la razón por la cual toda la materia estable en el universo está constituida por partículas de la primera generación.

¿QUÉ MANTIENE UNIDA LA MATERIA? El universo que conocemos, existe debido a que las partículas fundamentales interactúan, ya sea porque decaen o se aniquilan, o bien porque responden a una fuerza debida a la presencia de otra partícula (por ejemplo, durante una colisión). Hay cuatro interacciones entre partículas: Fuerza: El efecto que aparece sobre una partícula debido a la presencia de otra partícula. Interacción: Las fuerzas y los decaimientos que afectan a una partícula dada.

¿CÓMO INTERACTÚAN ENTRE SÍ LAS PARTÍCULAS DE MATERIA? La fuerza gravitacional es quizás la fuerza más familiar para nosotros, pero no está incluida en el Modelo Standard, porque sus efectos son muy diminutos en los procesos entre partículas. Aún cuando la gravedad actúa sobre todas las cosas, es una fuerza muy débil, a menos que haya grandes masas involucradas. Mientras que los físicos todavía no han descubierto la partícula portadora de la gravedad, predicen la existencia de esta partícula y la llaman el "gravitón."

Muchas fuerzas que podemos observar diariamente, tales como la que ejerce el piso sobre nuestros pies, se deben en realidad a fuerzas electromagnéticas dentro de los materiales, que se oponen a que los átomos se desplacen de sus posiciones de equilibrio dentro del material. Las partículas portadoras de la fuerza electromagnética son los fotones De acuerdo a cuál sea su energía, se los denomina rayos gama, luz, microondas, ondas de radio, etc.

Sucede que algunas partículas (quarks y gluones) tienen un tipo de carga, que no es electromagnética, llamada carga de color. La fuerza entre partículas con cargas de color es muy fuerte y por eso se ganó el nombre de fuerza fuerte. Como esta fuerza mantiene unidos a los quarks para formar hadrones, sus partículas mediadoras son caprichosamente llamadas gluones por su éxito al "pegar" los quarks entre sí. Es importante destacar que sólo los quarks y los gluones tienen carga de color. Los hadrones (por ejemplo los protones y los neutrones) son de color neutro, igual que los leptones. Por esta razón, la fuerza fuerte sólo actúa al nivel realmente pequeño de las interacciones entre quarks.

Cargas de color Las partículas con carga de color intercambian gluones en las interacciones fuertes. Al hacerlo, estas partículas con carga de color quedan a menudo "pegadas" entre sí. Dos o más quarks, cercanos entre sí, crean un "campo de fuerza de color" muy fuerte que liga entre sí los quarks. Existen tres cargas de color, y las correspondientes tres cargas de anticolor (color complementario). Los quarks cambian constantemente su carga de color mientras intercambian gluones con otros quarks. El confinamiento de los quarks:

Campo de fuerza de color: Dentro de un hadrón los quarks emiten y absorben gluones muy frecuentemente, de modo que no es posible observar el color de un quark individual. En un hadrón, por lo tanto, el color de los dos quarks que intercambian un gluón cambiará de forma tal que el sistema ligado se mantenga en un estado color neutro, y así permanezca observable. Campo de fuerza de color: Los quarks dentro de un hadrón intercambian gluones efusivamente. Por esta razón, los físicos hablan del campo de fuerza de color, que está formado por los gluones que mantienen unido el grupo de quarks.

Las interacciones débiles son las responsables del hecho que todos los quarks y leptones más pesados decaigan, para producir quarks y leptones más livianos. Cuando una partícula decae, ella desaparece y en su lugar aparecen dos o más partículas. La suma de las masas de las partículas producidas es siempre menor que la masa de la partícula original. Ésta es la razón por la cual la materia estable que nos rodea contiene sólo electrones y los dos quarks más livianos (up y down). Las partículas portadoras de las interacciones débiles son los bosones W+, W-, y Z. Los W's están cargados eléctricamente, en tanto que el Z es neutro Modelo Standard indica que las interacciones electromagnéticas y las interacciones débiles están combinadas en una interacción única llamada electrodébil.

PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI Dos partículas en el mismo estado (idéntico spin, carga de color, etc.) no pueden existir en el mismo lugar y al mismo tiempo Partículas que están sujetas a la exclusión de Pauli : Fermiones: son las particulas que tienen un momento angular intrinseco que es igual a un número impar de semienteros (1/2, 3/2, ...). Como consecuencia de este momento angular semientero, los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli. Quarks y leptones, así como también la mayoría de las partículas compuestas, tales como protones y neutrones son fermiones. Los bosones : partículas que tienen spin entero, medido en unidades de h- barra (spin = 0, 1, 2...). Las partículas portadoras de todas las interacciones fundamentales, las compuestas por un número par de fermiones (mesones) son bosones. El núcleo de un átomo es un fermión o un bosón, según la suma del número de protones y neutrones sea impar o par.