Índice
1. Prefacio
2. Introducción histórica de los constituyentes de la materia
3. Partículas Elementales
4. Las Fuerzas Fundamentales
5. El Modelo Estándar
6. Cuestiones pendientes de la Física de Partículas
7. Bibliografia
8. Sobre el autor
Partículas Elementales
Podemos definir las partículas elementales como aquellas cuya estructura interna no podía ser descrita (en el estado actual del conocimiento) como una simple combinación de otras partículas.

Al introducir el estado de conocimiento que se tiene del mundo subatómico en la definición de las partículas elementales, hemos de tener en cuenta que éstas, al variar lo que sabemos del mundo atómico, cambian. Podemos, de hecho, distinguir (muy arbitrariamente) cuatro etapas en la historia de las partículas elementales.

En la primera de ellas, que terminó en 1932, seis partículas elementales fueron descubiertas, que son: el fotón, el electrón, el protón, el neutrón, el positrón y el neutrino (aunque el descubrimiento de éste último era sólo teóricamente).

La segunda etapa en la Física de las Partículas Elementales comenzó en 1935 cuando quedó claro que las partículas existentes no eran suficientes para explicar la naturaleza de las fuerzas nucleares, en concreto cómo coexistían los protones en el núcleo si debido a la carga eléctrica positiva que poseían debían repelerse (lo cual se explica introduciendo una nueva fuerza, la fuerza nuclear fuerte) y fenómenos derivados de la desintegración de núcleos, es decir la radiactividad natural y artificial (para ello se introdujo otra nueva fuerza llamada fuerza nuclear débil). La idea cuántica de una fuerza es suponer que, igual que dos esquiadores que se lanzan pelotas de nieve uno a otro se repelen, si decimos que entre dos partículas existe una fuerza, significa que existe un intercambio de partículas. Este razonamiento une la física de las Partículas con las fuerzas, interacciones o campos elementales. Además, durante este periodo se descubrieron nuevas partículas como son: los muones (1938) y los mesones (en 1947 los mesones cargados y en 1950 el mesón neutro).

La tercera fase comprende un vasto espacio de tiempo (1949-1964), a lo largo del cual extrañas partículas inestables fueron descubiertas, la existencia del neutrino electrónico y el neutrino muónico fueron confirmada experimentalmente. Muchas de estas partículas no existen en nuestro mundo observable ya que son muy inestables y tienen una vida media muy corta transmutándose en otras partículas pasado un tiempo, por eso se han encontrado únicamente en colisiones realizadas artificialmente (por ejemplo bombardeando núcleos con haces de neutrones que se les ha comunicado una gran velocidad con un acelerador) o también explorando la radiación cósmica procedente del espacio exterior.

Antes de comentar la cuarta etapa en la investigación de las partículas elementales, vamos a realizar una ordenación de las partículas existentes en aquellos momentos.

Las partículas elementales se subdividen comúnmente en cuatro tipos. A uno de ellos pertenece una sola partícula: el fotón. El segundo tipo le forman los leptones, el tercero los mesones, y finalmente, el cuarto tipo, los bariones. Los mesones y los bariones se unen usualmente en un tipo de partículas de interacción fuerte denominadas hadrones.

A continuación daremos una breve descripción de los tipos de partículas enumerados.
  1. Los fotones (partículas o cuantos responsables del campo electromagnético), participan en las interacciones electromagnéticas, pero no poseen interacciones nuclerares fuertes ni débiles.
  2. Los leptones recibieron su nombre de la palabra griega leptos, que significa ligeros. A estos pertenecen las partículas que no poseen interacción fuerte: los muones, los electrones, los neutrinos electrónicos, y las correspondientes antipartículas para cada una de estas partículas. Todos los leptones tienen un espín igual a 1/2 y por consiguiente, son fermiones (partículas de espín semientero que no pueden encontrarse en el mismo estado con los mismos números cuánticos) y poseen interacción débil. Aquellos que tienen carga eléctrica (o sea, los muones y los electrones) poseen también interacción electromagnética.
  3. Los mesones son partículas inestables de interacción fuerte que carecen de la llamada carga bariónica. A este grupo pertenece los mesones pi o piones, los mesones K o kaones y el mesón eta. A diferencia de los leptones, los mesones poseen no sólo interacción débil (y electromagnética, si están cargados), sino también fuerte, la que se manifiesta durante la interacción de éstos entre sí y también con los bariones para formar hadrones. El espín de todos los mesones es igual a cero, de manera que todos ellos son bosones, que contrariamente a los fermiones, pueden acumularse en un estado.
  4. Los bariones agrupan a los nucleones (protón, neutrón) y unas partículas inestables, que poseen mayor masa que la de los nucleones, denominados hiperones. Todos los bariones poseen interacción fuerte y, por consiguiente interaccionan activamente con los núcleos atómicos. El espín de todos los bariones es igual a 1/2, de forma que los mismos son fermiones. Salvo el protón todos los bariones son inestables. Desintegrándose junto con otras partículas dan obligatoriamente un barión.
Finalmente, realizado el estudio de las partículas existentes, indiquemos que la cuarta etapa en la investigación de las partículas elementales comenzó incluso antes de la finalización de la tercera (1961) y continua hasta nuestros días.

Se han acumulado tantas partículas llamadas elementales que han surgido serias dudas sobre su elementalidad. Con relación a esto, surgió la hipótesis de que todas las partículas están compuestas por tres partículas fundamentales, portadora de unas cargas que, combinadas pudieran responder a las de las partículas existentes. El primer modelo de esta clase fue propuesto por el físico japonés S. Sakata, el que consideraba como partículas fundamentales el protón, el neutrón y el hiperón. Esta última es una nueva partícula que fue predicha considerando las simetrías que se daban al ordenar las partículas subatómicas existentes entonces en diagramas bidimensionales con dos propiedades (o números cuánticos) de estas, así se llegó a la conclusión de que entre los grupos de partículas conocidas como hadrones (es decir uniones de mesones y bariones) se daba la simetría del octeto o simetría SU(3). Sin embargo, el esquema de Sakata resultó inaplicable al campo de las interacciones fuertes.

En el año 1963 Gell-Mann e independientemente el físico suizo Zweig propusieron una hipótesis, según la cual todas las partículas elementales están constituidas por tres partículas denominadas quarks, llegaron a esta conclusión teniendo en cuenta que la más simple representación de la simetría del grupo SU(3) se consigue con un triplete. A éstos se les asignan números cuánticos fraccionarios, en particular una carga eléctrica igual a +2/3, -1/3, +1/3 respectivamente para cada uno de los tres quarks. Éstos se representan por las letras u (de la palabra inglesa up, que significa hacia arriba), d (down, que significa hacia abajo), y s (strange, extraño o sideways que significa lateral). Aparte de estos tres quarks, cada uno de ellos lleva asociado su antiquark correspondiente.


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