A mediados del siglo XIX, unos años después de
que Dalton enunciara su teoría, se desencadenó una
serie de acontecimientos que fueron introduciendo modificaciones
al modelo
atómico inicial. De hecho, el mundo atómico es tan
infinitamente pequeño para nosotros que resulta muy
difícil su conocimiento.
Nos hallamos frente a él como si estuviésemos
delante de una caja cerrada que no se pudiese abrir. Para conocer
su contenido solamente podríamos proceder a manipular la
caja (moverla en distintas direcciones, escuchar el ruido,
pesarla…) y formular un modelo de acuerdo con nuestra
experiencia. Este modelo sería válido hasta que
nuevas experiencias nos indujeran a cambiarlo por otro. De la
misma manera se ha ido construyendo el modelo atómico
actual; de Dalton hasta nuestros días se han ido
sucediendo diferentes experiencias que han llevado a la
formulación de una serie de modelos
invalidados sucesivamente a la luz de nuevos
acontecimientos.
Thomson, sir Joseph John (1856-1940), físico
británico, estableció otra teoría que
respondía a las nuevas propiedades que se estaban
encontrando en la materia, en concreto las
propiedades eléctricas. Según el modelo
atómico de Thomson el átomo consistía en una
esfera uniforme de materia cargada positivamente en la que se
hallaban incrustados los electrones, unas partículas que
surgen de los tubos catódicos y que tienen carga
eléctrica negativa, de un modo parecido a como lo
están las semillas en una sandía. Este sencillo
modelo explicaba el hecho de que la materia fuese
eléctricamente neutra, pues en los átomos de
Thomson la carga positiva era neutralizada por la negativa.
Además los electrones podrían ser arrancados de la
esfera si la energía en juego era
suficientemente importante como sucedía en los tubos de
descarga.
Sir Ernest Rutherford (1871-1937), famoso hombre de
ciencia
inglés
que obtuvo el premio Nobel de química en 1919,
realizó en 1911 una experiencia que supuso en paso
adelante muy importante en el conocimiento del átomo.
La experiencia de Rutherford consistió en
bombardear con partículas alfa una finísima
lámina de oro. Las
partículas alfa (que, aunque no lo sabía no son
más que núcleos de Helio, es decir dos protones y
dos neutrones unidos) atravesaban la lámina de oro y eran
recogidas sobre una pantalla de sulfuro de cinc. La importancia
del experimento estuvo en que mientras la mayoría de
partículas atravesaban la lámina sin desviarse o
siendo desviadas solamente en pequeños ángulos,
unas cuantas partículas eran dispersadas a ángulos
grandes hasta 180º. El hecho de que sólo unas pocas
radiaciones sufriesen desviaciones hizo suponer que las cargas
positivas que las desviaban estaban concentradas dentro de los
átomos ocupando un espacio muy pequeño en
comparación a todo el tamaño atómico; esta
parte del átomo con carga eléctrica positiva fue
llamado núcleo.
Rutherford poseía información sobre el tamaño, masa y
carga del núcleo, pero no tenía información
alguna acerca de la distribución o posición de los
electrones. En el modelo de Rutherford, el núcleo era el
responsable de casi toda la masa del átomo y los
electrones se movían alrededor del núcleo como los
planetas alrededor del sol. Los electrones no caían en el
núcleo, ya que la fuerza de
atracción electrostática era contrarrestada por la
tendencia del electrón a continuar moviéndose en
línea recta, es decir la fuerza centrífuga debida a
su movimiento
circular. Este modelo fue satisfactorio hasta que se
observó que estaba en contradicción con una
información ya conocida en aquel momento: de acuerdo con
las leyes del electromagnetismo, un electrón o todo
objeto eléctricamente cargado que es acelerado o cuya
dirección lineal es modificada, emite o
absorbe radiación
electromagnética.
El electrón del átomo de Rurherford modificaba
su dirección lineal continuamente, ya que seguía
una trayectoria circular. Por lo tanto, debería emitir
radiación
electromagnética y esta radiación
causaría la disminución de la energía del
electrón, que en consecuencia debería describir una
trayectoria en espiral hasta caer en el núcleo.
Esta contradicción en el modelo de Rutherford fue el
germen para que, unos años más tarde, Niels Bohr
(1885-1962), un físico danés, estableciera un nuevo
modelo atómico. En el modelo atómico de Bohr
se aplica por primera vez la hipótesis cuántica a la estructura
atómica, a la vez que buscó una explicación
a los espectros discontinuos de la luz emitida por los elementos
gaseosos.
Este modelo implicaba los siguientes postulados:
- El electrón tenía ciertos estados definidos
estacionarios de movimiento (niveles de energía) que le
eran permitidos; cada uno de estos estados estacionarios
tenía una energía fija y definida. - Cuando un electrón estaba en uno de estos estados no
irradiaba pero cuando cambiaba de estado
absorbía o desprendía energía. - En cualquiera de estos estados, el electrón se
movía siguiendo una órbita circular alrededor del
núcleo. - Los estados de movimiento electrónico permitidos
eran aquellos en los cuales el momento angular del
electrón (m · v · r) era un
múltiplo entero de h/2 · 3.14.
Vemos pues que Bohr aplicaba la hipótesis
cuántica de Planck en 1900. Esta hipótesis
cuántica nació para explicar la teoría
ondulatoria electromagnética de la luz y se basa en
suponer que un sistema
mecánico no podía tener cualquier valor de la
energía, sino solamente ciertos valores.
Aplicando esta hipótesis a la estructura electrónica de los átomos se
resolvía la dificultad que presentaba el átomo de
Rutherford. El electrón, al girar alrededor del
núcleo, no iba perdiendo la energía, sino que se
situaba en unos estados estacionarios de movimiento que
tenían una energía fija. Un electrón
sólo perdía o ganaba energía cuando saltaba
de un estado (nivel) a otro. En condiciones normales los
electrones de un átomo o ion se sitúan en los
niveles de más baja energía. Cuando un átomo
recibe suficiente energía, es posible que un
electrón salte a un nivel superior a aquel en que se
halla. Este proceso se
llama excitación. Un electrón excitado se halla en
un estado inestable y desciende a un nivel inferior, emitiendo
una radiación cuya energía será igual a la
diferencia de la que tienen los dos niveles.
El modelo de Bohr era muy similar al de Rutherford, pero
conseguía salvar la inestabilidad recurriendo a la
noción de cuantificación y junto con ella a la idea
de que la física
de los átomos debía ser diferente de la
física clásica.
Hasta 1932 las únicas partículas
subatómicas que se conocían eran las
partículas alfa, el electrón y los protones (que
estaban en el núcleo y tenían carga
eléctrica positiva), pero en dicho año el
físico inglés J. Chadwick descubrió el
neutrón, y enseguida se vio que junto al protón
constituyen los dos componentes esenciales del núcleo. Al
protón y al neutrón se les llama nucleones y forman
todos los núcleos de todos los elementos que se conocen,
salvo el del hidrógeno, que está formado por un
único protón.
Los elementos cuyos núcleos están formados por
el mismo número de protones (número atómico
o Z) son indistinguibles desde el punto de vista químico.
Es decir, son el mismo elemento. A elementos iguales con
diferente número de neutrones se les llaman
isótopos, y al número de protones y de neutrones
que tiene un núcleo se la llama número
másico o A. Para los núcleos ligeros ocurre que el
número de protones y de neutrones es el mismo, es decir A
= 2 * Z, pero a medida que los núcleos son más
pesados el número de neutrones aumenta más
rápidamente que el de protones, A > 2 * Z. Estudiando
los números atómicos y másico de cada
núcleo conocido se encuentra una curva que define los
núcleos estables, por el contrario aquéllos con un
exceso o defecto de protones presentan una desintegración
natural o radiactividad.
Fue a partir de entonces cuando, para asombro de los
físicos, apareció una avalancha de nuevas
partículas: en 1928 Dirac había elaborado una
teoría del electrón que vaticinaba la existencia de
un electrón de carga positiva al que llamó
positrón, éste fue descubierto por Anderson en
1932; en 1930, Pauli había señalado la necesidad de
introducir una nueva partícula indistinguible, el
neutrino, para mantener la conservación del momento
lineal, ésta fue confirmada por Fermi en 1934; en 1934, y
puesta de manifiesto empíricamente por Cowan y Reines en
1955; en 1935, estudiando la radiación cósmica
encontró otra partícula, el mesón, con masa
intermedia entre el electrón y el protón; A.
Duperier, Lattes y muchos físicos más analizando
los rayos cósmicos encontraron una gran variedad de nuevas
partículas inestables y con vidas muy efímeras.
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.
- Los fotones (partículas o cuantos
responsables del campo electromagnético), participan en
las interacciones electromagnéticas, pero no poseen
interacciones nuclerares fuertes ni débiles. - 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. - 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. - 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.
Como hemos visto, el estudio de los componentes de la materia
nos ha llevado también a introducir dos nuevas fuerzas en
el campo de la Física. Hasta entonces, todo podía
explicarse gracias al campo gravitatorio y al campo
electromagnético, actualmente se consideran cuatro
interacciones o fuerzas fundamentales, las cuales en orden
descendente en intensidad son: fuerza nuclear fuerte, fuerza
electromagnética, fuerza nuclear débil y fuerza
gravitacional.
Para tener una idea de la magnitud relativa de estas
fuerzas, supongamos que en una escala de
intensidades, en la que la fuerza gravitatoria tuviese magnitud
1, la fuerza débil tendría un valor de 10+34 (un
uno seguido de 34 ceros), la fuerza electromagnética
tendría un valor de 10+37 (un uno seguido de 37 ceros) y
la fuerza fuerte tendría un valor de 10+39 (un uno seguido
de 39 ceros).
Igual que con las partículas, una fuerza es considerada
como fundamental en función de
lo que se conoce en ese momento. De esa manera puede entenderse
cómo la unificación de las fuerzas
eléctricas y magnéticas llevada a cabo por Maxwell
redujo dos fuerzas (magnética y eléctrica) en una
sola interacción: el campo electromagnético.
Para clarificar el ámbito de las fuerzas fundamentales
mencionare el alcance de cada fuerza. La fuerza fuerte es
la responsable de que los protones y los neutrones se mantengan
unidos dentro del núcleo. Si no fuera por el dominio que
ejerce la fuerza fuerte, la repulsión entre los protones
haría inestable el núcleo; los protones se
dispersarían y el núcleo no podría existir,
por tanto su alcance es muy pequeño (10-15 m). La fuerza
fuerte o nuclear fuerte tiene un rango de acción
ligeramente menor que el tamaño del núcleo, esto
es: actúa solo sobre las partículas más
vecinas. La fuerza electromagnética afecta a todas las
partículas que poseen carga eléctrica y su alcance
es infinito, la constante de interacción de esta fuerza es
un número adimensional denominado constante de la
estructura fina (de valor aproximado 1/137). Por su lado, la
fuerza débil o nuclear débil actúa entre
partículas elementales y es responsable de algunas
reacciones nucleares. Por ejemplo, en la desintegración
radiactiva de los núcleos que provoca su escisión
en varios fragmentos, además la fuerza nuclear
débil es importante en la velocidad de reacción de
algunas reacciones nucleares que ocurren en estrellas como
el sol (de
hecho la vida media del sol está determinada por las
características de esta fuerza), y en todos los procesos de
interacción entre los neutrinos y la materia. Es una
fuerza de corto alcance, 10-16m. Por último la fuerza
gravitatoria es universal, a ella se someten todas las
partículas elementales sin excepción, sin embargo
debido a su poca magnitud no juega un papel importante en el
micromundo.
Cuando se empieza a hablar de las fuerzas fundamentales es
obligado hablar también de su
unificación.
Newton en 1686 mostró que la gravedad celeste y la
terrestre podían considerarse dentro de una misma
teoría: la gravitación universal. Ésta fue
la primera unificación. Newton explico
cómo se comportan los cuerpos ante la gravedad, pero fue
Einstein el primero que propuso un modelo teórico para
explicar el origen de la gravedad. En la teoría de la
relatividad general, las partículas siguen
trayectorias rectilíneas siempre, de tal manera que la
gravedad o campo gravitatorio, según el cual las
partículas masivas "tuercen" su trayectoria es una
consecuencia de la deformación del espacio-tiempo causada
por la masa.
Aunque fueron Faraday y Oersted los primeros que observaron la
relación de los fenómenos eléctricos y
magnéticos, fue Maxwell quien en 1864 le dio una
estructura formal a lo que ahora se conoce como teoría
electromagnética. Ésta fue la segunda
unificación. Existe una interesante simetría en las
ecuaciones de
Maxwell la cual sugiere que el hecho de la existencia de cargas
eléctricas, "obliga" también la existencia de
cargas magnéticas, es decir la carga eléctrica es a
la vez responsable de los campos eléctricos y los campos
magnéticos. Hay incluso varias investigaciones
documentadas relacionadas con la búsqueda de estas cargas
magnéticas, las cuales se denominan "el monopolo
magnético."
Alrededor de 1968, Weinberg y Salam trabajando
independientemente, mostraron la conexión que subyace
entre la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear
débil. Esta tercer unificación dio lugar a la
llamada fuerza electrodébil. Este enfoque se
consiguió con la llamada Teoría Cuántica
de Campos, que aplicada a las interacciones
electromagnética y débil se denomina
electrodinámica cuántica, en ella, tal y
como se ha comentado anteriormente, se considera una
interacción entre dos partículas como un
intercambio de unas partículas especiales llamadas
partículas o portadores de fuerza. Estas partículas
de fuerza son bosones y podemos decir que la interacción
electromagnética depende del intercambio de fotones,
mientras que en la fuerza nuclear débil interviene el
intercambio de dos tipos de bosones muy masivos llamados W y Z.
Para la fuerza nuclear fuerte se postuló la existencia de
una portador que actúa a un nivel más profundo, son
los gluones, unos bosones que no tienen masa. La
interacción fuerte queda así explicada con la
teoría de la Cromodinámica
Cuántica.
Debido a que la formulación de la Cromodinámica
Cuántica y de la ElectroDinámica Cuántica
es, en esencia la misma, parece plausible pensar que puede
existir alguna unificación entre ambas, aunque de hecho
aún no se ha encontrado.
De las cuatro fuerzas fundamentales, tenemos tres (que
podrían ser dos si la unificación de la
Teoría Cuántica de Campo y la Cromodinámica
Cuántica se diera), de esta tres, aún no hemos
podido saber si son la misma fuerza o tienen
características diferentes. De ellas, la más
complicada de introducir es la gravedad. Recordemos que el campo
gravitatorio no se basa en el intercambio de partículas
sino en la deformación del espaciotiempo; de todas maneras
existen teorías cuánticas que pretenden unificar la
gravedad postulando la partícula de intercambio, que
aunque no está descubierta, se denominaría el
gravitón.
Otra propuesta más a las unificaciones fue hecha en
1921 por un matemático alemán llamado Theodor
Kaluza. Él mostró cómo, considerando 5
dimensiones, se puede obtener el electromagnetismo y la
gravitación en una sola teoría. Al introducir las
otras fuerzas fundamentales, la teoría no funciona
correctamente, aunque existen estudios donde trabajando con
más dimensiones se busca la ansiada unificación.
Estas teorías no son teorías cuánticas al no
introducir la idea de una interacción como un intercambio
de partícula, en estas teorías las fuerzas se
explican como una propiedad del
espacio (tal y como sucede con la gravedad). Se denominan las
teorías de las supercuerdas, que pretenden explicar toda
la física mediante la introducción de unas diminutas cuerdas de
materia muy densa, estas cuerdas son muy pequeñas, pues no
tienen más de 10-35 m de largo. Todas las cuerdas son
lazos donde los fermiones y los bosones, que son las
partículas elementales asociadas a la materia y a las
interacciones respectivamente, corresponden a ondas que viajan
en la dirección de las manecillas del reloj para el caso
de los fermiones y en dirección contraria en el caso de
los bosones. En las teorías de supercuerdas; cada uno de
los infinitos modos posibles de vibración,
(armónicos y modos fundamentales de vibración),
correspondería a una partícula diferente. Esto
implica la existencia de un número infinito de
partículas elementales. Todo esto es relativamente
fácil de asimilar, ¡pero lo que no les he dicho es
que estas cuerdas vibran en un espacio que tiene de 10 a 26
dimensiones!
La meta final de todas las unificaciones es encontrar una
única fuerza que explique todas las interacciones que
observamos en la naturaleza. Las teorías que describen el
proceso de unificación de las fuerzas fundamentales se
llaman 'teorías de supersimetrías. Pero hay que
tener cuidado, ya que, como se ha dicho antes, una fuerza es
considerada como fundamental según los conocimientos
científicos existentes en ese momento.
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:
———————————————————————————————————————
! Up ! Charmed ! Top !
Quarks ! ! ! !
! Down ! Strange ! Bottom !
———————————————————————————————————————
! Neutrino (el) ! Neutrino (mu) ! Neutrino (tau) !
Lepton ! ! ! !
! Electrón ! Muon ! Tau !
———————————————————————————————————————-
I Generacion II Generación III Generación
Junto a los siguientes portadores de las fuerzas:
Fuerte Electromagnética Débil Gravitatoria
—————————————————————————————————-
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
————————————————————————————–
! ! ! ! ! !
u (anti u) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 !
Amarillo,
0.3 ! ! ! ! ! ! Azul o Rojo
—————————————————————————–
! ! ! ! ! ! (Violeta,
d (anti d) ! – (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 !
anaranjado
0.3 ! ! ! ! ! ! o verde)
—————————————————————————–
! ! ! ! ! !
s (anti s) ! – (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! – (+) 1 ! 0 !
0.5 ! ! ! ! ! !
—————————————————————————–
! ! ! ! ! !
c (anti c) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 1 !
1.5 ! ! ! ! ! !
—————————————————————————–
! ! ! ! ! !
b (anti b) ! – (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 !
4.5 ! ! ! ! ! !
—————————————————————————–
! ! ! ! ! !
t (anti t) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 !
175 ! ! ! ! ! !
————————————————————————————–
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.
5- Cuestiones
pendientes de la Física de las Partículas
La física de las partículas ha dado respuestas a
cuestiones que hasta hace poco se consideraban irresolubles, pero
ha abierto otros interrogantes.
El estudio de las partículas y de las fuerzas
fundamentales lleva al estudio del espaciotiempo. En las teorías
de las supercuerdas se hablan de espaciotiempo de más de 4
dimensiones, ¿dónde se hallan?, ¿por
qué no se han desarrollado como sí lo han hecho las
cuatro dimensiones espaciotemporales de nuestro Universo?
Al observar las estrellas percibimos materia,
¿dónde se halla la antimateria? ¿por
qué la naturaleza no
ha sido simétrica al crear la materia y la
antimateria?
El Modelo Estándar predice la existencia de una masiva
partícula escalar llamada bosón de Higgs, la cual,
todavía, no ha sido posible observar experimentalmente,
¿dónde se encuentra dicho bosón?, ¿es
realmente el responsable de la masa de las partículas?
Además, en el modelo estándar tenemos tres
generaciones de quarks, pero el mundo estable, el mundo que
observamos está constituido exclusivamente con los quarks
de la primera generación, ¿por qué esa
asimetría?, ¿son necesarias las restantes
generaciones? Y aún más, por razonamientos
simétricos y basándonos en el SU(3) siempre
deberá existir un múltiplo de tres para las
generaciones de quarks, es decir que nos bastarían los
seis quarks que ya existen, pero ¿existen más
quarks?,¿son necesarias más generaciones de
quarks?
Las Teorías de la Gran Unificación (GTU) han
aclarado la dinámica del universo primitivo, pero
mientras no exista una teoría totalmente unificada (que
incluya la gravedad) no se podrá describir el origen del
universo. Al imaginar que retrocedemos en el tiempo hasta
el universo
muy primitivo, la temperatura y
la energía de interacción de partículas
cuánticas pueden aumentar sin límite de modo de que
llegará un momento en que se penetre en la escala de
distancias de Planck. El problema de la gravedad cuántica
se plantea inevitablemente si queremos aclarar el origen del
universo.
El Modelo Estándar es una teoría que, hasta
ahora, se ha comportado bastante bien desde el punto de vista
experimental. Se trata de una teoría consistente; sin
embargo, más de una "arbitrariedad" ha sido necesario
aceptar, entre ellas la crítica
más sólida resulta ser que tiene diecisiete
parámetros libres, como por ejemplo, las constantes de
acoplamiento, el espectro de masa fermiónica, etc… El
valor de estos parámetros los toma la teoría de
datos
experimentales, pero los orígenes y la explicación
de lo que significan y de su valor no son fáciles de
entender teóricamente.
Aún queda un amplio camino para llegar a entender a la
Naturaleza, aún así confío en que todo, y
digo TODO, podrá ser comprendido por los físicos en
el futuro. Y quizás en un futuro muy próximo.
Aparte de un gran cantidad de documentación, principalmente en inglés,
que se encuentra en la red (entre ellos destaco
monografías.com y lafacu.com), para la elaboración
de este documento se han utilizado revistas científicas
(Scientific American y Physics Review), y varios libros siendo
los más utilizados: Curso de Física General
(tomo 3) de I.V. Savéliev, Experimental Nuclear
Physics (volumen I y II)
de K.N. Mukhin, Electrodinámica Cuántica de
A.A. Sokolov, Curso de Física Teórica de
Landau, Quantum field Theory de Mandel, La
Creación de P.W. Atkins, Claves ciertas de
G.Feinberg, y Los primeros tres minutos de S.
Weinberg.
Por último quisiera indicaros que el conocimiento y
la información que no se divulga, ¡se
pudre en el cerebro! La red
está aquí para poder
comunicaros. Os animo a que publiquéis trabajos y a que
los hagáis accesible al mayor número de personas
posibles (y si son del tercer mundo mucho mejor). Espero que os
haya gustado y si queréis hacerme un comentario: autor
Resumen: este trabajo
estudia la teoría de las Partículas y Fuerzas
Elementales sin fórmulas matemáticas y comenzando con los
componentes básicos de la materia. Se llega al modelo
estándar de los quarks, y los elementos esenciales de la
teoría cuántica de campos.
Categoría: Física
Plabras claves: quark, Cuántica,
Partículas, Antipartículas, gluones,
electrón, neutrón, átomo,
Fuerzas Elementales, Campos elementales, Teoría
Cuántica de campos, Simetrías,
ElectroDinámica de Campos,…,junto a nombres de
físicos como Bohr, Dirac, Rutherford, Zweig, Gell,
Man,…
Trabajo enviado y realizado por:
Federico Tejeiro
jbond006[arroba]mixmail.com
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