William Moebs; Samuel J. Ling; Jeff Sanny

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección podrá:

Describir las cuatro fuerzas fundamentales y qué partículas participan en ellas.
Identificar y describir fermiones y bosones.
Identificar y describir las familias de cuarks y leptones.
Distinguir entre partículas y antipartículas, y describir sus interacciones.

La física de partículas elementales es el estudio de las partículas fundamentales y sus interacciones en la naturaleza. Los que estudian la física de las partículas elementales, los físicos de partículas, se diferencian de los demás físicos en la escala de los sistemas que estudian. Un físico de partículas no se contenta con estudiar el mundo microscópico de las células, las moléculas, los átomos o incluso los núcleos atómicos. Se interesa por los procesos físicos que ocurren a escalas incluso más pequeñas que los núcleos atómicos. Al mismo tiempo, se enfrenta a los misterios más profundos de la naturaleza: ¿Cómo empezó el universo? ¿Qué explica el patrón de masas en el universo? ¿Por qué hay más materia que antimateria en el universo? ¿Por qué se conservan la energía y el momento? ¿Cómo evolucionará el universo?

Cuatro fuerzas fundamentales

Un paso importante para responder a estas preguntas es entender las partículas y sus interacciones. Las interacciones de las partículas se expresan en términos de cuatro fuerzas fundamentales. Por orden de fuerza decreciente, estas fuerzas son la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitacional.

Fuerza nuclear fuerte. La fuerza nuclear fuerte es una fuerza de atracción muy fuerte que actúa solo en distancias muy cortas (alrededor de $10^{−15} m$ ). La fuerza nuclear fuerte es la responsable de la unión de protones y neutrones en los núcleos atómicos. No todas las partículas participan en la fuerza nuclear fuerte; por ejemplo, los electrones y los neutrinos no se ven afectados por ella. Como su nombre indica, esta fuerza es mucho más fuerte que las demás.
Fuerza electromagnética. La fuerza electromagnética puede actuar a distancias muy grandes (tiene un alcance infinito), pero solo es 1/100 de la fuerza nuclear fuerte. Se dice que las partículas que interactúan mediante esta fuerza tienen "carga". En la teoría clásica de la electricidad estática (ley de Coulomb), la fuerza eléctrica varía como el producto de las cargas de las partículas que interactúan y como el cuadrado inverso de las distancias entre ellas. A diferencia de la fuerza fuerte, la fuerza electromagnética puede ser atractiva o repulsiva (las cargas opuestas se atraen y las similares se repelen). La fuerza magnética depende de forma más complicada de las cargas y sus movimientos. La unificación de la fuerza eléctrica y la magnética en una sola fuerza electromagnética (un logro de James Clerk Maxwell) se erige como uno de los mayores logros intelectuales del siglo XIX. Esta fuerza es fundamental para los modelos científicos de la estructura atómica y el enlace molecular.
Fuerza nuclear débil. La fuerza nuclear débil actúa en distancias muy cortas $(10^{−15} m)$ y, como su nombre indica, es muy débil. Tiene una fuerza de aproximadamente $10^{−6}$ de la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza se manifiesta sobre todo en el decaimiento de las partículas elementales y en las interacciones de los neutrinos. Por ejemplo, el neutrón puede decaer en protón, electrón y neutrino electrónico a través de la fuerza débil. La fuerza débil es de vital importancia porque es esencial para entender la nucleosíntesis estelar, el proceso que crea nuevos núcleos atómicos en los núcleos de las estrellas.
Fuerza gravitacional. Al igual que la fuerza electromagnética, la fuerza gravitacional puede actuar a distancias infinitamente grandes; sin embargo, solo tiene $10^{−38}$ de la fuerza nuclear fuerte. En la teoría clásica de la gravedad de Newton, la fuerza de la gravedad varía como el producto de las masas de las partículas que interactúan y como el cuadrado inverso de la distancia entre ellas. Esta fuerza es una fuerza de atracción que actúa entre todas las partículas con masa. En las teorías modernas de la gravedad, este comportamiento de la fuerza se considera un caso especial para las interacciones macroscópicas de baja energía. En comparación con las demás fuerzas de la naturaleza, la gravedad es, con mucho, la más débil.

Las fuerzas fundamentales pueden no ser realmente "fundamentales", sino que en realidad pueden ser diferentes aspectos de la misma fuerza. Al igual que las fuerzas eléctrica y magnética se unificaron en una fuerza electromagnética, en los años 70 los físicos unificaron la fuerza electromagnética con la fuerza nuclear débil en una fuerza electrodébil. Cualquier teoría científica que intente unificar la fuerza electrodébil y la fuerza nuclear fuerte se denomina teoría de gran unificación, y cualquier teoría que intente unificar las cuatro fuerzas se denomina teoría del todo. Volveremos al concepto de unificación más adelante en este capítulo.

Clasificaciones de las partículas elementales

En la naturaleza existe un gran número de partículas subatómicas. Estas partículas pueden clasificarse de dos maneras: la propiedad del espín y la participación en las cuatro fuerzas fundamentales. Recordemos que el espín de una partícula es análogo a la rotación de un objeto macroscópico alrededor de su propio eje. A continuación, estas dos clasificaciones se describen por separado.

Clasificación por espín

Las partículas de la materia pueden dividirse en fermiones y bosones. Los fermiones tienen un espín semientero $(\frac{1}{2} ℏ, \frac{3}{2} ℏ, …)$ y los bosones tienen espín entero $(0 ℏ, 1 ℏ, 2 ℏ, …) .$ Ejemplos conocidos de fermiones son los electrones, los protones y los neutrones. Un ejemplo conocido de bosón es el fotón. Los fermiones y los bosones se comportan de forma muy diferente en grupo. Por ejemplo, cuando los electrones están confinados en una pequeña región del espacio, el principio de exclusión de Pauli establece que no hay dos electrones que puedan ocupar el mismo estado mecánico-cuántico. Sin embargo, cuando los fotones están confinados en una pequeña región del espacio, no existe esa limitación.

El comportamiento de los fermiones y bosones en los grupos puede entenderse en términos de la propiedad de indistinguibilidad. Se dice que las partículas son "indistinguibles" si son idénticas entre sí. Por ejemplo, los electrones son indistinguibles porque cada electrón del universo tiene exactamente la misma masa y el mismo espín que todos los demás electrones: "cuando has visto un electrón, los has visto todos". Si se cambian dos partículas indistinguibles en una pequeña región del espacio, el cuadrado de la función de onda que describe este sistema y que se puede medir $(| ψ |^{2})$ no cambia. Si no fuera así, podríamos saber si las partículas se han intercambiado o no y la partícula no sería realmente indistinguible. Los fermiones y los bosones se diferencian por cómo el signo de la función de onda ( $ψ$ ) (no directamente observable) cambia:

\begin{matrix} ψ \to − ψ (fermiones indistinguibles), \\ ψ \to + ψ (bosones indistinguibles). \end{matrix}

Se dice que los fermiones son "antisimétricos en el intercambio" y los bosones son "simétricos en el intercambio". El principio de exclusión de Pauli es una consecuencia de la simetría de intercambio de los fermiones, una conexión que se desarrolla en un curso más avanzado de física moderna. La estructura electrónica de los átomos se basa en el principio de exclusión de Pauli y, por tanto, está directamente relacionada con la indistinguibilidad de los electrones.

Clasificación por interacciones de fuerza

Los fermiones pueden dividirse a su vez en cuarks y leptones. La principal diferencia entre estos dos tipos de partículas es que los cuarks interactúan mediante la fuerza fuerte y los leptones no. Los cuarks y los leptones (así como los bosones, de los que hablaremos más adelante) se organizan en la Figura 11.2. Las dos filas superiores (las tres primeras columnas en púrpura) contienen seis cuarks. Estos cuarks se organizan en dos familias de partículas: arriba (up), encantado (charm) y superior (top) (u, c, t), y abajo (down), extraño (strange), e inferior (bottom) (d, s, b). Los miembros de una misma familia de partículas comparten las mismas propiedades pero difieren en la masa (dada en $MeV/ c^{2}$ ). Por ejemplo, la masa del cuark superior es mucho mayor que la del cuark encantado, y la masa de este es mucho mayor que la del cuark arriba. Todos los cuarks interactúan entre sí a través de la fuerza nuclear fuerte.

Esta tabla tiene cuatro filas y cuatro columnas. Las tres primeras celdas de la primera y segunda fila están marcadas como cuarks. Las tres primeras celdas de las filas tercera y cuarta están marcadas como leptones. La última columna está marcada como bosones (fuerzas). Cada celda tiene el nombre de una partícula, su símbolo, masa, carga y espín. En la primera fila, estos valores en orden son: celda uno: arriba, u, 2,4 MeV, 2/3, 1/2; celda dos: encantado, c, 1,27 GeV, 2/3, 1/2; celda tres, superior, t, 171,2 GeV, 2/3, 1/2; celda cuatro: fotón, gamma, 0, 0, 1. En la fila dos, estos valores en orden son: celda uno: abajo, d, 4,8 MeV, menos 1/3, 1/2; celda dos: extraño, s, 104 MeV, menos 1/3, 1/2; celda tres: inferior, b, 4,2 GeV, menos 1/3, 1/2; celda cuatro: gluón, 0, 0, 1. En la fila tres, estos valores en orden son: celda uno: neutrino electrónico, v subíndice e, menos de 2,2 eV, 0, 1/2; celda dos: neutrino muónico, v subíndice mu, menos de 0,17 MeV, 0, 1/2; celda tres: neutrino tauónico, v subíndice tau, menos de 15,5 MeV, 0, 1/2; celda cuatro: fuerza débil, z elevada a 0, 91,2 GeV, 0,1. En la fila cuatro, estos valores en orden son: celda uno: electrón, e, 0,511 MeV, menos 1, 1/2; celda dos: muon, mu, 105,7 MeV, menos 1, 1/2; celda tres: tau, tau, 1,777 GeV, menos 1, 1/2; fuerza débil, w más menos, 80,4 GeV, más menos 1, 1.

Figura 11.2 Las familias de partículas subatómicas, clasificadas por los tipos de fuerzas con las que interactúan (crédito: modificación del trabajo de "MissMJ"/Wikimedia Commons).

La materia ordinaria está formada por dos tipos de cuarks: el cuark arriba (carga elemental, $q = + 2 / 3$ ) y el cuark abajo $(q = −1 / 3) .$ Los cuarks más pesados son inestables y decaen rápidamente en otros más ligeros a través de la fuerza débil. Los cuarks se unen en grupos de dos y tres llamados hadrones mediante la fuerza fuerte. Los hadrones que constan de dos cuarks se llaman mesones, y los que constan de tres cuarks se llaman bariones. Los ejemplos de mesones son el pion y el kaón, y los ejemplos de bariones son el protón y el neutrón. Un protón son dos cuarks arriba y un cuark abajo $(p = u u d, q = +1)$ y un neutrón es un cuark arriba y dos cuarks abajo ( $n = u d d$ , $q = 0$ ). Las propiedades de los mesones y bariones de muestra se indican en la Tabla 11.1. Los cuarks participan en las cuatro fuerzas fundamentales: fuerte, débil, electromagnética y gravitacional.

Las dos filas inferiores de la figura (en verde) contienen seis leptones organizados en dos familias de partículas: electrón, muon y tau ( $e, μ, τ$ ), y el neutrino electrónico, el neutrino muon y el neutrino tau ( $υ_{e}, υ_{μ}, υ_{τ}$ ). El muon es más de 200 veces más pesado que un electrón, pero por lo demás es similar al electrón. El tau es unas 3500 veces más pesado que el electrón, pero por lo demás es similar al muon y al electrón. Una vez creados, el muon y el tau decaen rápidamente en partículas más ligeras a través de la fuerza débil. Los leptones no participan en la fuerza fuerte. Los cuarks y los leptones se tratarán más adelante en este capítulo. Los leptones participan en las fuerzas débil, electromagnética y gravitacional, pero no participan en la fuerza fuerte.

Los bosones (mostrados en rojo) son los portadores de fuerza de los fermiones. En este modelo, los leptones y los cuarks interactúan entre sí enviando y recibiendo bosones. Por ejemplo, la interacción coulombiana se produce cuando dos partículas con carga positiva envían y reciben (intercambian) fotones. Se dice que los fotones "llevan" la fuerza entre las partículas cargadas. Asimismo, la atracción entre dos cuarks en un núcleo atómico se produce cuando dos cuarks envían y reciben gluones. Otros ejemplos son los bosones W y Z (que transmiten la fuerza nuclear débil) y los gravitones (que transmiten la fuerza gravitatoria). El bosón de Higgs es una partícula especial: Cuando interactúa con otras partículas, no las dota de fuerza sino de masa. En otras palabras, el bosón de Higgs ayuda a explicar por qué las partículas tienen masa. Estas afirmaciones forman parte de un modelo científico tentativo pero muy productivo (el Modelo Estándar) que se trata más adelante.

Partículas y antipartículas

A finales de la década de 1920, la teoría especial de la relatividad y la mecánica cuántica se combinaron en una teoría cuántica relativista del electrón. Un resultado sorprendente de esta teoría fue la predicción de dos estados de energía para cada electrón: Una está vinculada con el electrón, y la otra con otra partícula con la misma masa de un electrón pero con una carga de $e^{+}$ . Esta partícula se llama antielectrón o positrón. El positrón se descubrió experimentalmente en la década de 1930.

Pronto se descubrió que para cada partícula de la naturaleza existe una antipartícula correspondiente. Una antipartícula tiene la misma masa y vida que su partícula asociada, y el signo opuesto de la carga eléctrica. Estas partículas se producen en reacciones de alta energía. Algunos ejemplos de partículas de alta energía son el antimuon ( $μ^{+}$ ), el anticuark arriba ( $\overset{−}{u}$ ), y el anticuark abajo $(\overset{−}{d}) .$ (Observe que las antipartículas de los cuarks se designan con una barra encima). Muchos mesones y bariones contienen antipartículas. Por ejemplo, el antiprotón ( $\overset{−}{p}$ ) es $\overset{−}{u} \overset{−}{u} \overset{−}{d}$ y el pion cargado positivamente $(π^{+})$ es $u \overset{−}{d}$ . Algunas partículas neutras, como el fotón y el mesón $π^{0}$ , son sus propias antipartículas. Las partículas de muestra, las antipartículas y sus propiedades se enumeran en la Tabla 11.1.

	Nombre de la partícula	Símbolo	Antipartícula	Masa $(MeV/ c^{2})$	Tiempo de vida (s) promedio
Leptones
	Electrón	$e^{−}$	$e^{+}$	0,511	Estable
	Neutrino electrónico	$υ_{e}$	$\overset{—}{υ_{e}}$	$\approx 0$	Estable
	Muon	$μ^{−}$	$μ^{+}$	105,7	$2,20 \times 10^{−6}$
	Neutrino muónico	$υ_{μ}$	$\overset{—}{υ_{μ}}$	$\approx 0$	Estable
	Tau	$τ^{−}$	$τ^{+}$	1.784	$< 4 \times 10^{−13}$
	Neutrino tauónico	$υ_{τ}$	$\overset{—}{υ_{τ}}$	$\approx 0$	Estable
Hadrones
Bariones	Protón	p	$\overset{−}{p}$	938,3	Estable
	Neutrón	n	$\overset{−}{n}$	939,6	920
	Lambda	$Λ^{0}$	$\overset{—}{Λ^{0}}$	1115,6	$2,6 \times 10^{−10}$
	Sigma	$Σ^{+}$	$Σ^{−}$	1189,4	$0,80 \times 10^{−10}$
	Xi	$Ξ^{+}$	$Ξ^{−}$	1.315	$2,9 \times 10^{−10}$
	Omega	$Ω^{+}$	$Ω^{−}$	1.672	$0,82 \times 10^{−10}$
Mesones	Pion	$π^{+}$	$π^{−}$	139,6	$2,60 \times 10^{−8}$
	$π$ -Cero	$π^{0}$	$π^{0}$	135,0	$0,83 \times 10^{−16}$
	Kaón	$K^{+}$	$K^{−}$	493,7	$1,24 \times 10^{−8}$
	k-corto	$K_{S}^{0}$	$\overset{—}{K_{S}^{0}}$	497,6	$0,89 \times 10^{−10}$
	k-largo	$K_{L}^{0}$	$\overset{—}{K_{L}^{0}}$	497,6	$5,2 \times 10^{−8}$
	J/ $ψ$	J/ $ψ$	J/ $ψ$	3.100	$7,1 \times 10^{−21}$
	Upsilon	$Υ$	$Υ$	9.460	$1,2 \times 10^{−20}$

Tabla 11.1 Las partículas y sus propiedades

Las mismas fuerzas que mantienen unida la materia ordinaria también mantienen unida la antimateria. En las condiciones adecuadas, es posible crear antiátomos como el antihidrógeno, antioxígeno e incluso antiagua. En los antiátomos, los positrones orbitan alrededor de un núcleo cargado negativamente de antiprotones y antineutrones. La Figura 11.3 compara átomos y antiátomos.

La figura a muestra un átomo de hidrógeno y un átomo de antihidrógeno. El primero tiene un círculo marcado como p en el centro y otro más pequeño marcado como e menos en una órbita alrededor de él. Este último tiene un círculo marcado como barra p en el centro y otro círculo más pequeño marcado como e más en una órbita alrededor de él. La figura b muestra un átomo de helio y un átomo de antihelio. El primero tiene un círculo marcado como 2p 2n en el centro y dos círculos más pequeños marcados como e menos en una órbita alrededor de él. Este último tiene un círculo marcado barra 2p barra 2 n en el centro y dos círculos más pequeños marcados e más en una órbita alrededor de él.

Figura 11.3 Comparación de los átomos más simples de materia y antimateria. (a) En el modelo de Bohr, un átomo de antihidrógeno está formado por un positrón que orbita alrededor de un antiprotón. (b) Un átomo de antihelio está formado por dos positrones que orbitan alrededor de un núcleo de dos antiprotones y dos antineutrones.

La antimateria no puede existir durante mucho tiempo en la naturaleza porque las partículas y las antipartículas se aniquilan entre sí para producir una radiación de alta energía. Un ejemplo común es la aniquilación electrón-positrón. Este proceso sucede mediante la reacción

e^{−} + e^{+} \to 2 γ .

El electrón y el positrón desaparecen por completo y en su lugar se producen dos fotones. (Resulta que la producción de un solo fotón violaría la conservación de la energía y el momento) Esta reacción también puede producirse en sentido inverso: Dos fotones pueden aniquilarse entre sí para producir un par de electrones y positrones. O bien, un solo fotón puede producir un par electrón-positrón en el campo de un núcleo, un proceso llamado producción de pares. Las reacciones de este tipo se miden de forma rutinaria en los detectores de partículas modernos. La existencia de antipartículas en la naturaleza no es ciencia ficción.

Interactivo

Vea este video para saber más sobre las partículas de materia y antimateria.

11.1 Introducción a la física de partículas

Cuatro fuerzas fundamentales

Clasificaciones de las partículas elementales

Clasificación por espín

Clasificación por interacciones de fuerza

Partículas y antipartículas