Partículas elementales

¿Siempre has querido saber qué son exactamente las partículas elementales y cómo se compone nuestro mundo de estos bloques de construcción más pequeños? ¡Entonces asegúrese de continuar y obtener una visión apasionante del mundo de la física de partículas!

Partículas elementales explicadas de forma sencilla.

Las partículas elementales son partículas subatómicas indivisibles que actúan como los componentes más pequeños de la materia y como «transmisores» de interacciones.

Según el modelo estándar de física de partículas, las partículas elementales incluyen quarks , leptones , bosones calibre (partículas de interacción) y el bosón de Higgs . En teoría, podrían existir otras partículas elementales , pero éstas son sólo de naturaleza hipotética y aún no se han demostrado experimentalmente. Toda la materia está formada por quarks y leptones , los bosones de calibre transmiten todas las interacciones entre la materia y las partículas elementales obtienen su masa mediante la interacción con el bosón de Higgs . 

Todas estas partículas se consideran partículas elementales porque (hasta el día de hoy) no se les puede asignar ninguna subunidad más pequeña (subestructura) ni ningún radio distinto de cero. Por eso son verdaderamente indivisibles.

Modelo estándar de partículas elementales.

El Modelo Estándar de física de partículas elementales describe el conocimiento actual sobre las partículas elementales , sus propiedades (masa, carga, etc.) y sus interacciones entre sí. En resumen, existen las siguientes partículas elementales , que veremos en detalle:

• UP (u), DOWN (d), STRANGE (s), CHARM (c), BOTTOM (b) y TOP (t)
• 6 tipos de leptones (electrón, muón, tauón y sus respectivos neutrinos)
• 12 tipos de bosones de calibre , a saber
  • Fotón para interacción electromagnética.
  • 8 gluones para la interacción fuerte entre quarks
  • 3 bosones ( , , ) para la interacción débil
• bosón de Higgs
• las respectivas antipartículas (el fotón , el bosón  – y el bosón de Higgs son sus propias antipartículas y el bosón – es la antipartícula del bosón – y viceversa)

División básica en fermiones y bosones.

En el nivel más alto podemos dividir las partículas elementales en fermiones y bosones . Los fermiones se caracterizan por tener un espín medio entero, mientras que los bosones tienen un espín entero. Al igual que la masa, el giro de las partículas elementales en la mecánica cuántica es una propiedad interna inmutable de la partícula. Solo toma valores discretos, cuantificados mediante la constante de Planck  , y se comporta como un momento angular. Por eso a menudo se le llama momento angular intrínseco. ¡La idea de un punto giratorio (las partículas elementales no tienen extensión) es completamente errónea! Las partículas elementales fermiónicas son los quarks y los leptones , las bosónicas son los bosones calibre y el bosón de Higgs.

quarks

Los quarks son fermiones con espín y conocemos seis tipos diferentes de ellos, divididos en tres generaciones. La primera generación consta de quarks arriba ( ) y abajo ( ) , la segunda de quarks encanto ( ) y extraño ( ) y la tercera de quarks superior ( ) e inferior ( ) . Según sus cargas, también podemos dividir los quarks en el tipo up con carga , formado por -, – y – quarks , y el tipo down con carga , formado por -, – y – quarks . Cada quark de una generación superior tiene una masa mayor que el quark correspondiente de la generación inferior. Sin embargo, las masas también difieren mucho entre generaciones. Además de su carga eléctrica, cada quark también lleva un segundo tipo de carga, que se llama carga de color o color. Los quarks pueden portar cargas de color rojo ( ), azul ( ) y verde ( ).

Según la equivalencia de masa y energía de Einstein , expresamos las masas diminutas de las partículas elementales en unidades “ajustadas” de .

generación	Apellido	símbolo	carga eléctrica en	masa en
1	arriba
	abajo
2	encanto
	extraño
3	Arriba
	abajo

leptones

El segundo grupo de partículas elementales fermiónicas , también con espín , son los leptones , de los cuales hay seis. También se dividen en tres generaciones. Para cada generación tenemos una partícula masiva cargada y su neutrino asociado , que es eléctricamente neutro y relativamente muy ligero. La primera generación está formada por electrones ( ) y neutrinos electrónicos ( ), la segunda por muones ( ) y neutrinos muónicos ( ) y la tercera por tauones ( ) y neutrinos tauones ( ). El electrón , el muón y el tauón llevan la carga y las masas aumentan nuevamente al aumentar la generación.

generación	Apellido	símbolo	carga eléctrica en	masa en
1	electrón
	neutrino electrónico
2	muón
	neutrino muónico
3	Tauón
	neutrino tauón

Bosones de calibre (partículas de interacción)

Los bosones de calibre son responsables de las interacciones entre fermiones y bosones apropiadamente cargados (eléctricos, de color, …) . Son las partículas elementales que median tres de las cuatro fuerzas fundamentales, a saber, la interacción electromagnética, la interacción fuerte entre quarks y la interacción débil (por ejemplo durante la desintegración  ) . Todos los bosones de calibre tienen espín 1. La gravedad como cuarta fuerza básica con el gravitón como partícula de interacción asociada está fuera de lugar aquí. El gravitón es un bosón con espín 2, pero no un bosón de calibre , y hasta ahora también es hipotético.

El bosón de calibre de la interacción electromagnética es el fotón y, por tanto, sólo transmite interacciones entre partículas cargadas eléctricamente. Decimos que el fotón se “acopla” con la carga eléctrica. La fuerte interacción entre quarks está mediada por los ocho gluones que se acoplan a la carga de color . Los bosones de calibre de la interacción débil son los bosones y (con carga eléctrica ) y el bosón neutro . Estos se acoplan al llamado isospin débil (también un tipo de carga de las  partículas elementales fermiónicas ). Todos los bosones de calibre excepto son eléctricamente neutros y, aparte de los muy pesados ​​bosones y , tampoco tienen masa. 

bosón de calibre	masa en	carga eléctrica en	interacción mediada
fotón			electromagnético
-Bosón			debilidad
-Bosón
-Bosón
8 gluones			fortaleza

La mediación de interacciones a través de bosones de calibre , usando como ejemplo los fotones, funciona de la siguiente manera. Una partícula elemental cargada eléctricamente puede crear y destruir un fotón . Si interactúa con otra partícula elemental cargada eléctricamente , produce un fotón que se intercambia con la otra partícula elemental y es destruido nuevamente por ésta. Por tanto, el fotón transmite la interacción. Por eso, los bosones de calibre también se denominan partículas de interacción o partículas de intercambio.

bosón de Higgs

El bosón de Higgs es una consecuencia del mecanismo de Higgs. Esto es necesario para dar  a los bosones de calibre y al bosones de calibre su masa, porque sin él todos los bosones de calibre carecerían de masa (como el  fotón y los  gluones ). El mecanismo de Higgs describe principalmente el campo de Higgs (ya conocemos los campos eléctricos y magnéticos), que está presente en todas partes del universo y con el que interactúan los bosones de calibre masivos , los quarks y los leptones masivos y obtienen así su masa. La masa del neutrino aún no se comprende completamente en la física teórica actual.

En el estado fundamental del campo de Higgs, que corresponde a un vacío sin partículas, tiene la misma fuerza en todas partes. A través de la interacción con partículas elementales masivas , estas ganan masa y se excita el campo de Higgs. Una de esas excitaciones elementales del campo de Higgs es el bosón de Higgs , que puede ser creado y destruido por todas las partículas masivas. Estrictamente hablando, no es la interacción con el bosón de Higgs lo que da masa a las partículas, sino la interacción con el campo de Higgs, el mecanismo de Higgs. El bosón de Higgs es sólo una consecuencia de esto.

Visto como una partícula elemental , el bosón de Higgs es eléctrico y de color neutro, pero tiene un isospín débil, un espín 0 y una masa muy grande de . También es importante que el bosón de Higgs no obtenga su masa a través de algún tipo de autointeracción con el campo de Higgs, sino que esto sea un requisito previo para el mecanismo de Higgs.

antipartícula

Para cada partícula elemental conocemos una antipartícula asociada que tiene cargas opuestas (eléctrica, carga de color, isospín débil, …) pero que por lo demás es idéntica en términos de masa, espín, etc. Como antipartícula de un quark – con carga de color (rojo) encontramos, por ejemplo, un quark – (las líneas superpuestas marcan antipartículas ) con carga eléctrica y una carga de color (anti-rojo), que por lo demás es idéntica.

Cuando se trata de bosones, la cuestión de las antipartículas es más complicada. El fotón y el bosón no llevan carga alguna, por lo que cada uno de ellos son sus propias antipartículas . Cada gluón lleva una combinación de color y anticolor (¡todavía no hay nueve, sino sólo ocho!) y cada inversión de la combinación de carga de color de un gluón siempre sólo conduce a otro gluón. Los bosones – tienen cargas eléctricas opuestas y tienen isospines débiles opuestos, por lo que son sus respectivas antipartículas. Otra peculiaridad de las antipartículas bosónicas es que el  bosón de Higgs , aunque porta un isospin débil, también es su propia  antipartícula . 

Según la ley de conservación de la carga, una partícula elemental fermiónica y su antipartícula se aniquilan entre sí cuando se encuentran y también pueden formarse como un par (formación de pares). Cuando se trata de bosones, ¡la situación es mucho más complicada!

Partículas elementales como componentes básicos de la materia.

Toda la materia que conocemos está formada por quarks y leptones masivos . Los quarks y antiquarks, unidos por los gluones de la interacción fuerte, forman los hadrones , que se dividen en dos grupos. El primer grupo son los  mesones bosónicos  , que están compuestos por un quark y un antiquark. El segundo tipo son los bariones fermiónicos , que constan de tres quarks . Los bariones más importantes son probablemente el protón ( ) y el neutrón ( ), a partir de los cuales se forman los núcleos atómicos y que, por lo tanto, también se denominan nucleones (del latín núcleo , núcleo). Luego obtenemos átomos combinando estos núcleos atómicos con electrones . Esto significa que todas las sustancias que conocemos de la tabla periódica de elementos están formadas únicamente por quarks y leptones de primera generación. 

Los hadrones también son siempre de color neutro (“blanco”). Esto significa que en los mesones el color del quark y el anticolor del antiquark se anulan entre sí dando lugar al blanco y en los bariones los tres quarks tienen tres colores diferentes, que sumados dan como resultado el blanco como en la teoría del color aditivo (luz roja + luz azul + luz verde luz blanca). De hecho, las partículas libres siempre deben tener un color neutro (hipótesis del confinamiento). Los quarks nunca pueden observarse libremente y solos; siempre están unidos a hadrones .

Finalmente, deberíamos observar el papel del mecanismo de Higgs en los hadrones . El protón tiene una masa de aproximadamente , -, – y – el quark juntos pesa sólo alrededor de . ¿Dónde está el 99% restante de la masa? Se encuentran, nuevamente según , en la energía de la interacción fuerte entre los quarks y gluones en el protón. Así vemos que el mecanismo de Higgs casi no desempeña ningún papel en la masa de materia cotidiana.