Desde los años sesenta, los físicos han buscado una teoría para poner orden en el confuso mundo de las partículas. En la actualidad, las partículas se agrupan según la fuerza que domina sus interacciones, tal y como se indico en el epígrafe dos. Todas las partículas se ven afectadas por la gravedad, que sin embargo es extremadamente débil a escala subatómica. Los hadrones están sometidos a la fuerza nuclear fuerte y al electromagnetismo; además del neutrón y el protón, incluyen los hiperones y mesones. Los leptones "sienten" las fuerzas electromagnética y nuclear débil; incluyen el electrón, el muón, el tau, y los neutrinos asociados a cada uno de ellos. Las partículas que son responsables de las interacciones (como ya se ha comentado son siempre bosones) incluyen el fotón, que "transmite" la fuerza electromagnética, las partículas W y Z, portadoras de la fuerza nuclear débil, el gluón, portador de la fuerza nuclear fuerte, y el hipotético portador de la gravitación (gravitón). Además, los estudios con aceleradores han determinado que por cada partícula existe una antipartícula con la misma masa, cuya carga u otra propiedad electromagnética tiene signo opuesto a la de la partícula correspondiente. Con éstas se supone que se podrían formas átomos de lo denominado antimateria.
En 1963, los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron la teoría de que los hadrones son en realidad combinaciones de otras partículas elementales llamadas quarks, cuyas interacciones son transmitidas por gluones, la partícula responsable de la interacción fuerte, y que consigue unir a los quarks para formar las partículas ya comentadas. Esta es la teoría subyacente de las investigaciones actuales, y se la suele denominar con el nombre de Modelo Estándar.
En la época en que el modelo de quarks fue propuesto, bastaban tres tipos de quarks: up, down y sideway o strange nombrados con las iniciales u, d, s; así como cuatro leptones: el electrón y el muon y sus compañeros neutrinos (neutrino electrónico y neutrino muónico). Las características de éstos se indican en forma de tabla más adelante.
Sin embargo diferentes avances realizados desde entonces han llevado a aumentar el número de partículas elementales.
Por una serie de consideraciones, en particular para eliminar la contradicción con el principio de Pauli, es decir que dos partículas que sean fermiones no pueden ocupar el mismo estado teniendo los mismos números cuánticos (o propiedades), fue introducido el concepto de color del quark. Debemos entender el color como una carga que, contrariamente a la carga eléctrica que sólo posee dos valores (positiva o negativa), en este caso existen tres cargas de color. Se indica, por tanto que cada quark puede existir en tres formas coloreadas: amarilla, azul y roja (señalemos que la mezcla de estos colores da el color blanco nulo). De esta manera los quarks que forman el protón (up-up-down) tienen coloraciones diferentes y el principio de Pauli no se infringe. Para explicar la antimateria formada por el mismo tipo de antiquarks se les dio una carga de color o simplemente color complementario (anticolores), los que sumados con colores base dan colores nulos.
El descubrimiento de nuevas partículas en el acelerador lineal de Stanford en 1974 identificó un nuevo quark, denominado charmed, encanto o simplemente c. En el modelo de partículas formados por 4 quarks, propuesto anteriormente. Este difiere de los demás quarks por otro número cuántico que se hizo necesario introducir, el número cuántico C o encantamiento, cuyo valor es cero en el resto de quarks y 1 para el quark c y su antiquark. Además la masa del quark c fue cinco veces mayor que la del quark s. Las parejas up-down, y electrón-neutrino (electrónico) se denominaron por tanto la primera generación, a su vez la segunda generación, que da lugar a partículas más inestables, está formada por los quarks strange-charmed y los leptones muon-neutrino (muónico).
Para la explicación de las propiedades de otra nueva partícula descubierta en el año 1976 en los laboratorios del acelerador lineal de Fermi, fue necesario introducir un quinto quark que recibió la designación b (de bottom , inferior o beauty, hermoso). Este quinto quark tiene una masa tres veces mayor que la del quark c. Ese mismo año, en el Acelerador Lineal de Stanford se encontró otro par de leptones: el tau y su neutrino.
Teóricamente se pronosticaba la existencia de un sexto quark que se representa por la letra t (de top, superior o true, verdadero), la base de esta suposición estaba en consideraciones simétricas, de esta manera tendríamos una tercera generación de quarks. Hasta 1995 no había ninguna evidencia experimental que apoyara la existencia de este quark. Sin embargo en Marzo de 1995 en el laboratorio Fermi se encontró que el quark t existe. Este quark pesa 35 veces lo que pesa el quark b.
Por tanto tenemos las siguientes partículas elementales:
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! Up ! Charmed ! Top !
Quarks ! ! ! !
! Down ! Strange ! Bottom !
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! Neutrino (el) ! Neutrino (mu) ! Neutrino (tau) !
Lepton ! ! ! !
! Electrón ! Muon ! Tau !
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I Generacion II Generación III Generación
Junto a los siguientes portadores de las fuerzas:
Fuerte Electromagnética Débil Gravitatoria
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Gluon (g) Fotón (gamma) bosones de Vector gravitón? (?)
Intermedio (W, Z)
Teniendo el número de quarks que completa el Modelo Estándar, así como los portadores de partículas, vamos a indicar las propiedades o números cuánticos que tienen éstos:
Tipo de Carga Número Espín Extrañeza Charm Color
quark (Masa GeV) Eléctrica Bariónico
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! ! ! ! ! !
u (anti u) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 ! Amarillo,
0.3 ! ! ! ! ! ! Azul o Rojo
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! ! ! ! ! ! (Violeta,
d (anti d) ! - (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 ! anaranjado
0.3 ! ! ! ! ! ! o verde)
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! ! ! ! ! !
s (anti s) ! - (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! - (+) 1 ! 0 !
0.5 ! ! ! ! ! !
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! ! ! ! ! !
c (anti c) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 1 !
1.5 ! ! ! ! ! !
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! ! ! ! ! !
b (anti b) ! - (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 !
4.5 ! ! ! ! ! !
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! ! ! ! ! !
t (anti t) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 !
175 ! ! ! ! ! !
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La explicación de toda partícula se hace con la unión de estos quarks, y la interacción se realiza con el intercambio de los bosones portadores de las fuerzas. Por ejemplo un neutrón está formado por dos quark down y un quark up, estos se mantienen unidos gracias a un intercambio mutuo de gluones, viendo las propiedades de los quarks tenemos las características del neutrón, (carga eléctrica nula, y masa aproximada de 930 MeV). Análogamente sucede con el protón (dos quarks up y un quark down).
Acabo así la introducción a lo que se conoce de la Física de las Partículas Elementales actualmente, sin embargo los estudios en este campo son muy extensos y quiero decir que lo leído puede estar anticuado o incluso ser falso si otra teoría la ha sustituido.
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