Física de partículas para niños

La física de partículas es una parte de la física que estudia las piezas más pequeñas de las que está hecha toda la materia y cómo estas piezas interactúan entre sí. A veces se le llama también física de altas energías porque para ver muchas de estas partículas, se necesitan choques muy fuertes que se producen en máquinas especiales llamadas aceleradores de partículas.

Hoy en día, las partículas elementales (las que no se pueden dividir en otras más pequeñas) se organizan en un sistema llamado el Modelo Estándar. Este modelo las divide en dos grandes grupos: los bosones y los fermiones. Los bosones son las partículas que transmiten las fuerzas, como la luz. Los fermiones son las partículas que forman la materia, como los electrones.

El Modelo Estándar explica cómo las fuerzas fundamentales de la naturaleza actúan a través de los bosones sobre las partículas de materia (fermiones). Por ejemplo, la fuerza electromagnética tiene al fotón, la fuerza nuclear fuerte tiene al gluón, y la fuerza nuclear débil tiene a los bosones W y Z. Se cree que la gravedad podría tener una partícula llamada gravitón, pero aún no se ha encontrado.

Entre los fermiones, hay dos tipos: los leptones y los quarks. En total, el Modelo Estándar incluye 24 partículas fundamentales que forman la materia (12 tipos de partículas y sus 12 antipartículas), además de los bosones que transmiten las fuerzas.

Los lugares más importantes donde se estudia la física de partículas son el Laboratorio Nacional Fermi o Fermilab en Estados Unidos, y el Centro Europeo para la Investigación Nuclear o CERN, que está entre Suiza y Francia. En estos laboratorios, se logran energías parecidas a las que se cree que existieron al principio del Big Bang. Así, los científicos buscan más pistas sobre el origen del universo.

Historia de la física de partículas

Primera vez que se observó un neutrino, después de chocar con un protón, en una cámara de burbujas.

Desde hace mucho tiempo, las personas han pensado en qué está hecho el Universo. Por ejemplo, en el siglo V antes de Cristo, Empédocles creía que todo estaba hecho de agua, tierra, fuego y aire. Más tarde, Demócrito fue el primero en hablar de los átomos, que él imaginaba como piezas indivisibles.

A principios del siglo XX, científicos como Max Planck, Albert Einstein y Niels Bohr hicieron descubrimientos que llevaron al nacimiento de la mecánica cuántica. El efecto fotoeléctrico mostró que la luz se comporta como pequeñas "bolsas" de energía llamadas fotones. Hoy sabemos que hay otros tres tipos de bosones que también transmiten fuerzas.

Para entender cómo se forma la materia, se crearon diferentes modelos del átomo. Hacia 1930, se pensaba que los electrones, protones y neutrones eran las piezas básicas. Pero alrededor de 1960, gracias a Murray Gell-Mann, se descubrió que los protones y neutrones están hechos de partículas aún más pequeñas llamadas quarks. Así, las piezas más básicas de la materia pasaron a ser los quarks, los electrones y los neutrinos.

¿Qué son las partículas elementales?

Los físicos de partículas siempre han querido clasificar las partículas y describir toda la materia y sus fuerzas. A lo largo de la historia de la física, muchas partículas que se creían indivisibles, como los protones y neutrones, resultaron no serlo. Después de muchas teorías, hoy usamos el modelo estándar para describir la materia y sus interacciones.

Según el Modelo Estándar, hay seis tipos de quarks, seis tipos de leptones y cuatro tipos de bosones. Estas partículas se dividen en dos grandes grupos según una regla llamada el principio de exclusión de Pauli:

• Los bosones no siguen esta regla.
• Los fermiones sí la siguen.

Bosones: los mensajeros de las fuerzas

Nombre y carga eléctrica de los componentes de la materia.

Los bosones son partículas que pueden ocupar el mismo lugar al mismo tiempo. Esto significa que muchas de ellas pueden estar en el mismo estado cuántico. En 1924, Satyendra Nath Bose y Albert Einstein crearon una forma de entender cómo se comportan estas partículas, que hoy se conoce como estadística de Bose-Einstein.

Los bosones que se han descubierto hasta ahora son:

Partícula	Símbolo	Masa (en GeV/c2)	Carga eléctrica	Espín	Fuerza que transmite
Fotón		0	0	1	Electromagnética (luz, electricidad)
Bosón W	W±	80.4	± 1	1	Débil (desintegración nuclear)
Bosón Z	Z0	91.187	0	1	Débil
Gluón	g	0	0	1	Fuerte (mantiene unidos los núcleos)
Higgs	H0	124.97	0	0	Da masa a otras partículas

Las teorías matemáticas que estudian estas partículas son la cromodinámica cuántica para la fuerza fuerte de los gluones, y la electrodinámica cuántica para la fuerza electrodébil de los fotones y los bosones W y Z.

Fermiones: los bloques de construcción de la materia

Los fermiones son partículas que tienen un "giro" (espín) fraccionario y que sí siguen el principio de exclusión de Pauli. Esto significa que dos fermiones no pueden estar en el mismo lugar y en el mismo estado al mismo tiempo. Su comportamiento se describe con la estadística de Fermi-Dirac.

Los fermiones son las partículas que forman la materia. Sin embargo, no todos los fermiones son elementales. Por ejemplo, los protones y neutrones son fermiones, pero están hechos de quarks, que sí se consideran elementales.

Los fermiones se dividen en dos grupos: los quarks y los leptones. Los leptones pueden existir solos, pero los quarks siempre se encuentran unidos a otros quarks. Esto se debe a que los quarks tienen una propiedad llamada "carga de color", y los gluones que los unen también la tienen. Los grupos de quarks deben tener una carga de color neutra.

Aquí están las propiedades básicas de estas partículas:

Tipo de fermión	Nombre	Símbolo	Carga eléctrica	Carga débil*	Carga de color	Masa
Leptón
	Electrón	e−	−1	−1/2	0	0.511 MeV/c²
	Muon	−	−1	−1/2	0	105.6 MeV/c²
	Tauón	−	−1	−1/2	0	1.784 GeV/c²
	Neutrino electrónico	e	0	+1/2	0	< 50 eV/c²
	Neutrino muónico		0	+1/2	0	< 0.5 MeV/c²
	Neutrino tauónico		0	+1/2	0	< 70 MeV/c²
Quark
	Up	u	+2/3	+1/2	R/G/B	~ 5 MeV/c²
	Charm	c	+2/3	+1/2	R/G/B	~ 1.5 GeV/c²
	Top	t	+2/3	+1/2	R/G/B	>30 GeV/c²
	Down	d	−1/3	−1/2	R/G/B	~10 MeV/c²
	Strange	s	−1/3	−1/2	R/G/B	~ 100 MeV/c²
	Bottom	b	−1/3	−1/2	R/G/B	~ 4.7 GeV/c²

• Las partículas de la tabla solo tienen carga débil cargada (W⁺ y W⁻) si son levógiras o, para las antipartículas, si son dextrógiras.

Las partículas se organizan en generaciones. Hay tres generaciones:

• La primera tiene el electrón, su neutrino y los quarks up y down.
• La materia que vemos todos los días está hecha de partículas de esta primera generación.
• Las partículas de las otras generaciones se transforman rápidamente en partículas de las generaciones anteriores.

Partículas compuestas: los hadrones

Los físicos llaman hadrones a las partículas que están hechas de otras más elementales. Los hadrones se componen de quarks, antiquarks y gluones. La carga eléctrica de los hadrones siempre es un número entero.

La fuerza fuerte es la más importante en los hadrones. Como los quarks y los gluones tienen "carga de color", están confinados a permanecer unidos en una partícula que no tiene carga de color neta. Esto fue explicado por Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964 con el modelo de quarks, que ha sido confirmado por muchos experimentos.

Los hadrones se dividen en dos tipos: los bariones y los mesones.

Bariones

Dibujo de la estructura de un protón.

Los bariones son partículas que contienen tres quarks, además de algunos gluones y antiquarks. Los bariones más conocidos son los nucleones, es decir, los protones y neutrones. También existen otros bariones más pesados llamados hiperones. Dentro de los bariones, los quarks interactúan fuertemente a través de los gluones. Aunque los gluones tienen carga de color, el barión en su conjunto siempre tiene una carga de color neutra.

Los bariones también son fermiones, lo que significa que su espín es 1/2, 3/2, etc. Como todas las partículas, los bariones tienen su antipartícula llamada antibarión, que se forma con tres antiquarks. La mayoría de los bariones, excepto los nucleones, son inestables.

Mesones

Los mesones son partículas formadas por un quark, un antiquark y los gluones que los unen. Todos los mesones son inestables. Sin embargo, pueden existir solos porque las cargas de color del quark y del antiquark son opuestas, lo que hace que el mesón tenga una carga de color neutra. Los mesones son bosones, ya que la suma de los espines de sus quarks y antiquarks, más su movimiento, da un número entero. Los mesones también tienen interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas.

En este grupo se encuentran el pion, el kaón, la J/ψ, y muchas otras. Podrían existir también mesones exóticos, pero aún no hay pruebas de ellos.

Partículas hipotéticas

Hay algunas partículas que los científicos han propuesto en sus teorías, pero que aún no han sido confirmadas por experimentos. Algunas de las más importantes son:

• El bosón de Higgs: Es una partícula del modelo estándar cuya existencia fue confirmada el 4 de julio de 2012. A veces se le llama "la partícula de Dios". Los experimentos en el Gran colisionador de hadrones han encontrado una partícula que podría ser el bosón de Higgs, y se sigue investigando para confirmarlo. Se cree que esta partícula es la que da masa a otras partículas.
• El gravitón: Es el bosón hipotético para la fuerza de la gravedad, propuesto en las teorías de la gravedad cuántica. No forma parte del modelo estándar porque no se ha encontrado. Se piensa que interactuaría con leptones y quarks y que no tendría masa.

Supersimetría

La teoría de la supersimetría sugiere que cada partícula conocida tiene una "supercompañera". Algunas de estas supercompañeras son:

• El neutralino: Es el mejor candidato para la materia oscura en el Modelo Estándar. En la supersimetría, el neutralino es una partícula neutra, estable y muy ligera, que no tiene una pareja simétrica en las partículas normales.
• Los sleptones y los squarks: Son los compañeros supersimétricos de los fermiones del Modelo Estándar.
• El fotino, el wino, el zino, el gravitino y el gluino: Son las partículas supercompañeras de los bosones.

Otras partículas hipotéticas

• Un WIMP (del inglés: partícula masiva que interactúa débilmente): Son partículas hipotéticas propuestas para explicar la materia oscura (como el neutralino o el axión).
• El pomerón: Se usa en una teoría para explicar cómo los hadrones rebotan elásticamente.
• El skirmión: Un modelo para entender las propiedades de los nucleones a bajas energías.
• El bosón de Goldstone: Una excitación sin masa de un campo cuando su simetría se rompe espontáneamente.
• El goldstino: Un fermión que aparece cuando la supersimetría se rompe espontáneamente.
• El instantón: Una configuración de campo que se usa en cálculos especiales.

Clasificación por velocidad

Las partículas, tanto las reales como las hipotéticas, se pueden clasificar según su masa y la velocidad que pueden alcanzar:

• Un tardión: Viaja más lento que la luz y tiene masa. Todas las partículas con masa pertenecen a esta categoría.
• Un luxón: Viaja exactamente a la velocidad de la luz y no tiene masa. Los fotones son luxones, y se cree que los neutrinos también.
• Un taquión: Es una partícula hipotética que viajaría más rápido que la luz y tendría una masa "imaginaria". No se ha detectado ninguna.

Cuasipartículas

En la física de la materia condensada, que estudia cómo se comportan los materiales, se usan conceptos parecidos a los de la física de partículas. Se asignan "cuasipartículas" a ciertas excitaciones o comportamientos en los materiales. Algunas de ellas son:

• Los fonones: Vibraciones en una estructura cristalina.
• Los excitones: Una combinación de un electrón y un "hueco" (un espacio vacío donde debería haber un electrón).
• Los plasmones: Excitaciones de un plasma (un gas de partículas cargadas).
• Los polaritones: Una mezcla de un fotón y otra cuasipartícula.
• Los polarones: Cuasipartículas cargadas que se mueven rodeadas de iones en un material.
• Los magnones: Excitaciones de los espines de los electrones en un material.

Principales centros de investigación

Los laboratorios más importantes para estudiar la física de partículas en el mundo son:

• CERN: Está en la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra. Su proyecto más grande es el gran colisionador de hadrones (LHC), que es el acelerador de partículas más grande del mundo. En el CERN también están el gran colisionador de electrones y positrones y el Superproton sincrotrón.

Imanes cuadripolares del Gran Colisionador de Hadrones que dirigen los haces de protones para que choquen. Estos imanes superconductores se hicieron en el Fermilab.

• Fermilab: Se encuentra cerca de Chicago en Estados Unidos. Tiene el Tevatrón, que puede hacer chocar protones y antiprotones. Es el segundo acelerador de partículas más potente del mundo después del LHC.

• Laboratorio Nacional Brookhaven: Está en Long Island, Estados Unidos. Tiene un acelerador que puede hacer chocar iones pesados como el oro y protones. Fue el primer acelerador de iones pesados.

• DESY: Localizado en Hamburgo (Alemania). Cuenta con el HERA que puede acelerar electrones, positrones y protones.

• KEK: En Tsukuba (Japón). Es una organización japonesa de investigación de altas energías. Aquí se han hecho experimentos importantes sobre neutrinos y otras partículas.

• SLAC: En Palo Alto (Estados Unidos). Tiene el PEP-II que puede hacer chocar electrones y positrones.

Estos son los laboratorios más importantes, pero hay muchos más en el mundo.

Galería de imágenes

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  Diagrama de Feynman de una desintegración beta, proceso mediante el cual un neutrón puede convertirse en protón. En la figura, uno de los tres quarks del neutrón de la izquierda (quark d en azul) emite una partícula W⁻, pasando a ser un quark (u); la partícula emitida (W⁻) se desintegra en un antineutrino y un electrón.

Véase también

En inglés: Particle physics Facts for Kids