¿Qué se entiende por partículas?

 

Cuando los físicos intentaron extrapolar los conocimientos de la física clásica al mundo de los átomos, se encontraron con la sorpresa de que las cosas aquí no funcionaban, según la descripción clásica. Las partículas individuales debían ser consideradas como ondas, ante circunstancias definidas, como también aquello que se pensaba era una onda, debería considerarse como partícula ante otras circunstancias experimentales. Por lo tanto el concepto de partícula se amplio.

Todo aquello sobre lo que podemos tener una experiencia directa puede en principio ser explicado en términos de seis partículas y de la forma en que interactúan entre ellas: las partículas materiales electrón, neutrino, protón y neutrón, y los intermediarios de las fuerzas que las unen: el fotón y el gravitón. En un nivel mas profundo, los protones y neutrones están formados por dos tipos de quarks diferentes

(up y down), que se mantienen unidos por una fuerza cuyo intermediario o portador se denomina gluón.
Pero veamos mas detenidamente los componentes últimos de la materia.
Los ladrillos que componen la materia, los ladrillos de los ladrillos

En la época de Aristóteles, los científicos consideraban que los cuatro elementos constituyentes de la materia eran: agua, tierra, aire y fuego. Durante esa misma época, se decía también que todas las cosas estaban constituidas por unidades indivisibles denominadas átomos. Con el correr del tiempo y de las investigaciones, se llego a saber mas acerca de los diferentes elementos, de los átomos y de cómo estos estaban compuestos. Hoy en día, la física tiene un modelo estándar de las partículas fundamentales y de la interacción entre ellas. Suponíamos que los electrones, protones y neutrones eran estos mínimos componentes, pero se ha avanzado un paso más. La situación actual es la siguiente:

1.     Existe materia y antimateria (Dirac-Anderson), es decir para cada partícula existe una equivalente con propiedades opuestas en la región de la antimateria. Si una partícula se encuentra con su antipartícula, se produce la desaparición de ambas, transformándose sus masas en reposo en energía según la ecuación de Einstein E = mc2. Nuestro universo visible esta compuesto casi totalmente por materia, muy poca antimateria existe desde el inicio del universo allá por el big bang.

2.     Clasificamos a las partículas (todas tienen sus correspondientes antipartículas) en dos grandes grupos:

a)    Fermiones:
 a su vez clasificados en:
·        Quarks: son seis a saber: up(U), down (D), charm (C), strange (S), top (T), bottom (B). Tienen carga eléctrica fraccionaria. En 1964 Gell-Mann denomino a los tripletes que componían lo que hasta ese momento eran partículas elementales del núcleo atómico, como “quarks” palabra sacada de un pasaje de la obra Finnegan’s Wake de James Joyce:
“ Three quarks for Muster Mark!...”
·        Leptones: son seis a saber: electrón (e), neutrino del electrón (ne), muon (m), neutrino del muon (nm), tauon (t), y neutrino de tau (nt). Tienen carga eléctrica nula o dada por un numero entero.
 
b)    Bosones:
Que de acuerdo a nuestro sentido común, diríamos que no son una partícula (algo que tiene masa), sino que son entes, que ahora reconocemos que pueden comportarse como partículas y están asociados con la transmisión de las fuerzas de interacción entre los fermiones, son los portadores de las fuerzas. Existen bosones para cada una de las fuerzas existentes en la naturaleza, y ellos son:

·     Fotón: que transmite la fuerza electromagnética la cual es la interacción entre partículas cargadas (recordemos QED).

·     Gluon: que transmite la fuerza cromodinámica, la cual es la interacción entre partículas con carga de color (recordemos  QCD)

·     W y Z: que transmiten la fuerza débil que aun no hemos descripto pero que esta relacionada con la desintegración y emisión de partículas desde núcleos de átomos.

·     Gravitón: que transmite la fuerza de gravedad que tampoco se ha aislado u observado sino a través de sus efectos. Es un concepto similar al de campo gravitacional.
 
¿Dónde están los protones y los neutrones?  La realidad es que estas partículas componentes del núcleo en los átomos y por muchos años consideradas como elementales, no son elementales ya que están compuestas por otras. Por eso hablamos acerca de los ladrillos de los ladrillos. Como vimos en la sección de la QCD, los quarks no pueden existir en forma aislada sino que se mantienen unidos según las reglas dadas por la QCD.

De los quarks surgen por combinación los Hadrones según la siguiente regla:

·        Mesón: esta formado por un par quark-antiquark (color+anti-color).

·        Barión: esta formado por tres quarks o tres anti-quarks. Los bariones más conocidos son los protones y los neutrones

Todas las partículas estables de la naturaleza están compuestas por quarks up y down y por el electrón y el neutrino del electrón. Los otros quarks forman partículas que  tienen ciclos de vida mucho mas cortos que los del protón y el neutron, a pesar de que dicho ciclo es lo suficientemente largo como para que puedan ser detectadas mediante equipos especiales. Lo que se denomina el gusto o sabor de los quarks (flavor) que es una manera de diferenciarlos, esta determinado por su carga, su masa y la presencia o ausencia de ciertas propiedades que si bien no están completamente entendidas, se las ha identificado con los siguientes nombres:

extrañeza, encanto, belleza, verdad y color (QCD).
Las fuerzas en la naturaleza son solo 4

¿Qué es una fuerza? Si ponemos dos cargas eléctricas próximas, sobre ellas existe una fuerza que tiende a separarlas o acercarlas. De la misma manera cuando clocamos un objeto a cierta altura, sobre este la tierra ejerce una cierta fuerza atrayéndolo, por eso se cae. ¿Qué es lo que transfiere esa fuerza desde un cuerpo al otro?, ¿cómo sabe un cuerpo o una carga de la existencia del otro/a? Decimos que la carga eléctrica esta rodeada por un campo eléctrico o electromagnético, que influye sobre la segunda carga. También hablamos que la tierra genera un campo gravitatorio o gravitacional que ejerce una fuerza sobre los cuerpos suspendidos a cierta altura. Pero esta idea de campo es una abstracción matemática, dado que finalmente un campo en un punto esta definido por la fuerza que en dicho punto actúa sobre una partícula de referencia tal como habíamos explicado anteriormente. Esta definición matemática no contesta la pregunta ¿que transfiere la fuerza de un objeto al otro?. En el siglo XX esta pregunta recibió la siguiente respuesta: la fuerza es transmitida o transportada por partículas, que según sea gravitatoria o eléctrica, la partícula será diferente. Los cuerpos cargados, se transmiten la fuerza electromagnética a través del intercambio de fotones. Es así que una partícula cargada emite un fotón que es absorbido por otra partícula cargada, y así se transmite el momento de una a otra, lo cual es lo mismo que decir que entre ambas se ejerce una fuerza. Pensemos en la analogía de dos personas tirando una pelota. Cada vez que una de estas personas atrapa la pelota que la otra arrojo, siente que es empujada hacia atrás es decir en la dirección que traía la pelota. Esta analogía sirve para entender el rechazo entre dos cargas de igual signo. Según esta teoría, también el efecto de la fuerza gravitatoria, se transmite por partículas denominadas gravitones, a pesar de que las mismas no han sido detectadas experimentalmente.

Bien hasta ahora nombramos dos tipos de fuerza, la electromagnética y la gravitatoria, porque ambas afectan nuestra vida diaria, estamos acostumbrados a sus efectos.
En la física clásica se entendía por fuerza aquello capaz de influir sobre el movimiento de un cuerpo o de alterar su forma. Cuando los científicos entraron al micromundo de las partículas, a la fuerza se la comenzó a entender como la causa de todo cambio, reacción, creación o desintegración. Dado que los roles desempeñados por las fuerzas en la física moderna son distintos a los tradicionales de la física clásica, se comenzó  a hablar de las interacciones básicas como sinónimo de los que los clásicos conocían como fuerzas. Estas interacciones básicas son 4:

Gravitatoria.
Electromagnética.
Débil.
Fuerte.

Veamos el significado de las dos que aun no conocemos:

Interacción o fuerza débil: No es posible entenderla en términos corrientes, es la fuerza causante de ciertos fenómenos en los átomos, tal como la conversión de un neutrón en un protón y viceversa, lo que se denomina desintegración beta, la desintegración de un pion en un muon y la de este en un  electrón. En todas estas se emite un neutrino, las cuales son las únicas partículas conocidas sobre las que puede actuar la fuerza débil. Esta fuerza si bien es mas fuerte que la de gravedad, es mucho más débil que la electromagnética y la fuerza fuerte, y tiene un rango o alcance de su influencia que no supera los 10-16 cm. Las partículas (bosones) que transmiten esta fuerza débil son tres W+, W- y Z0 .

Interacción o fuerza fuerte: ¿por qué los protones que son todos positivos no se rechazan entre sí en el interior del núcleo del átomo provocando el estallido del mismo? Por que existe una fuerza más poderosa que la electromagnética de repulsión que los mantiene unidos. La existencia de los neutrones en los núcleos tiende a facilitar la interacción fuerte impidiendo el decaimiento espontáneo de los núcleos, sobre todo de aquellos con gran cantidad de protones Esta es la denominada fuerza o interacción fuerte.

La comprensión de la fuerza fuerte entre los nucleones (protones y neutrones) solo será posible a partir de la comprensión de las fuerzas cromódinámicas que actúan dentro de cada nucleón entre los quarks. La fuerza fuerte es como el efecto residual de la fuerza fuerte por excelencia que es la cromodinámica.

Es interesante conocer cual es la relación de intensidad que existe entre estas fuerzas:
Tomando como base 1 para la fuerza fuerte, que es la más poderosa de las cuatro, la que le sigue es la electromagnética cuya fuerza relativa es 10-2, luego la fuerza débil con 10-13, y por ultimo la fuerza de gravedad con una fuerza relativa a la fuerte de 10-38. Los rangos de actuación en el espacio de cada una de estas fuerzas, son los que hacen que dos de ellas no se perciban por los sentidos dado que actúan a nivel atómico. Tanto la gravitatoria como la electromagnética tiene un rango infinito de influencia, disminuyendo su intensidad con la distancia. La fuerza fuerte actúa en un rango de 10-13 cm, mientras que la débil 10-16 cm.

Cap 14: Diferentes realidades ¿Diferentes universos?