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El Fascinante Mundo de las Partículas e Interacciones Fundamentales
Paulina Troncoso Iribarren y Sergio Curilef
Departamento de Física, Universidad Católica del Norte
Av. Angamos 0610 Antofagasta.
Resumen
El esfuerzo por difundir algunas ideas teóricas y prácticas de los conceptos científicos
manejados por especialistas, ha sido inherente al trabajo de los físicos, desde siempre. El
objeto, en este caso, es la visión no especializada del modelo estándar y de los conceptos
básicos que usa este modelo en particular, pero que son comunes a muchas áreas de la
física. El intento por explicar de qué están hechas las cosas y cómo las percibimos, es no
menos fascinante cuando se hace en base a partículas e interacciones fundamentales.
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1. Introducción
El hombre, desde la antigüedad, se ha preguntado ¿de qué están hechas las cosas?.
Los griegos en el siglo V A. C. ya se hacían esta pregunta, específicamente fue Leucipo y
su discípulo Demócrito; ellos buscaban la división más profunda y elemental de la materia,
pensaban que todo estaba compuesto de pequeñas partes, que ya no podían seguir
subdividiéndose. A estas pequeñas partes las llamaron “átomo”, que en el idioma griego
significa sin división.
La idea de buscar lo más pequeño e indivisible de la materia ha perdurado en el
tiempo, pero el conocimiento ha cambiado mucho. A principios del siglo pasado algunos
físicos creyeron que habían descubierto las partículas fundamentales y las llamaron
erróneamente átomos. Se pensó que los átomos eran una especie de bolitas permeables que
al unirse formaban toda la materia existente en la naturaleza, pero Rutherford en 1911
reformuló esa idea y realizó una serie de experimentos. Los resultados de esos
experimentos comprobaron que el átomo era divisible, que consta de un núcleo y de
electrones que giran en torno a él. El modelo se explica como la tierra (electrones) girando
en torno al sol (núcleo). A dicho modelo se le llamó modelo planetario del átomo.
El presente trabajo se suma al esfuerzo por difundir algunas ideas fundamentales de
las teorías físicas[1-3], que ha llevado a construir un juego donde las reglas son una
adaptación del modelo estándar[4]. Sin ser rigurosos en el orden histórico de los eventos
que originaron este modelo, creemos que la forma presentada ayudará a entender los
elementos del modelo estándar y a acercar estos conceptos a los que, sin ser especialistas,
se interesan en algunos aspectos de la ciencia. Primero definiremos lo que entenderemos
por átomo y partícula fundamental. Luego desarrollaremos los elementos del modelo
estándar y clasificaremos las partículas de acuerdo a sus propiedades.
2. Átomo
Con los años se descubrió que el núcleo a su vez puede dividirse y que está formado
por otras partículas llamadas protones y neutrones. La idea del modelo planetario del átomo
se cambió por una visión cuántica: el electrón se concibe como una distribución en el
espacio, la cual envuelve al núcleo (donde están los protones y neutrones). En dicha
distribución existe la probabilidad de encontrar un electrón. Esta visión obligó a desechar la
idea de un objeto puntual [5] .
A partir de principios simples del electromagnetismo: carga iguales (positiva-positiva o
negativa–negativa) se repelen y cargas distintas (positiva-negativa o negativa-positiva) se
atraen, podemos entender que los electrones giran en torno al núcleo, debido a que el
electrón posee carga eléctrica negativa y el núcleo que posee carga eléctrica positiva. La
carga eléctrica de un electrón se simboliza “e” y su valor es -1.602*10-19 [Coulomb],
similarmente la carga del protón tiene el mismo valor pero de signo positivo.
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3. Partícula Fundamental
Ahora preguntémonos: ¿ son los mencionados protones y neutrones la división más
elemental y fundamental de la materia?. Aquí la palabra fundamental tiene un significado
bastante importante. Se quiere expresar que estos bloques, que forman toda la materia, no
tienen estructura interna y son la expresión más simple de la materia e interacciones que se
pueden dar en la naturaleza. A partir de ellos se forma todo, dan origen a los protones y
neutrones, los cuales forman distintos tipos de átomos, los que a su vez, forman toda la
materia existente. También se pensó que las interacciones que ocurren entre los cuerpos son
producidas por unas pocas partículas fundamentales, y son ellas las responsables de todas
las que ocurren en la naturaleza.
En la década de los cincuenta se comenzó a hacer experimentos con aceleradores
de partículas como el que se muestra en la figura 1; la función de estos aparatos es dar gran
velocidad a las mismas (protones y neutrones). Estas empiezan a chocar en el interior del
acelerador y en esos años dieron origen a partículas que nunca se habían detectado, los
físicos comenzaron a llamarlas con las letras del alfabeto griego (pi, omega, delta, etc.),
pero con los años las letras del alfabeto griego se hicieron insuficientes para bautizar a las
nuevas partículas que se seguían descubriendo. Además, muchas de estas nuevas partículas
no se ajustaban a ningún modelo teórico.
Figura 1. Se muestra un acelerador de partículas
de la década de los 50, que se encuentra
actualmente en el hall de la Universidad de Chile
(Santiago).
Por otra parte, los resultados experimentales que se obtenían de las partículas después de
pasar por la cámara de niebla eran de mucha utilidad. La cámara de niebla, como se
esquematiza en la Figura 2, es un recipiente cerrado lleno de algún gas que se ioniza
fácilmente. Cuando pasa una partícula cargada eléctricamente se observa un haz luminoso
que muestra la trayectoria de la partícula. El estudio de esa trayectoria nos entrega datos de
los cuales se deduce su masa, velocidad, tiempo que vive la partícula, etc. Respecto al
tiempo que vive una partícula, el concepto de vida media debe quedar claro: la vida media
es el tiempo que la mitad de las partículas tardan en desintegrarse. Una de las tantas cosas
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que hacía pensar a los físicos era que la vida media de un neutrón alcanza los 15 minutos,
en cambio la vida media de cualquiera de las otras nuevas partículas que se seguían
descubriendo era cortísima, del orden de las millonésimas de segundo.
Figura 2. Se muestra un esquema simple de
la cámara de niebla.
En la época se pensó que los protones y neutrones tenían estructura interna, pues la
mayoría de los electrones lanzados contra un protón lo atravesaban casi sin desviarse, pero
unos cuantos rebotaban en distintas direcciones. Esto era la evidencia de que los protones
están formados por partículas más pequeñas, pero hasta el momento se suponía que los
protones y neutrones no tenían una estructura interna. Murray, Gell-Mann y George Zweig
propusieron en 1965 que todas las partículas que interactúan fuertemente entre sí, están
formadas a su vez de unas partículas aún más fundamentales, que Gell-Mann llamó
“cuarks”, cuyas cargas eléctricas son 1/3 ó 2/3 de la carga de un electrón.
El hecho de que los protones y neutrones no son partículas fundamentales quedó
establecido entre 1967 y 1973 gracias a una serie de experimentos realizados con el
acelerador de partículas de tres kilómetros de largo de Stanford, California. En los
siguientes años se fue modelando el comportamiento de todas las nuevas partículas y se
llego a definir lo que hoy se conoce como modelo estándar. El problema se solucionó de la
siguiente manera
4. Modelo Estándar
Este modelo se basa en la existencia de partículas fundamentales (sin estructura
interna) de las cuales se compone toda la materia. Existen dos tipos de partículas
fundamentales: las que conforman la materia llamadas Fermiones (en honor a Enrico
Fermi) y otras partículas encargadas de las interacciones que ocurren entre los fermiones,
llamadas Bosones en honor a Satyendra Bose. Existe una propiedad, llamada espín, que
distingue bien a los fermiones de los bosones. El espín es una propiedad cuántica que, para
tener una noción intuitiva clásica, se puede relacionar con la rotación de los cuerpos sólidos
que giran. La analogía no debe tomarse literalmente, pero da una idea aproximada, debido a
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que las partículas no son objetos sólidos (trompos) que rotan. Sin embargo, al usar la
analogía anterior, el espín nos indicaría la dirección de “rotación” de estas partículas.
A. Fermiones
A los fermiones le corresponde valores del espín: 1/2h, 3/2h,....., o sea fracciones
semi enteras de la constante de Planck. Con esta propiedad encontramos algunas partículas
fundamentales que constituyen la materia como son los cuarks y los leptones. La energía
de un sistema de muchos fermiones sigue reglas bien definidas, por ejemplo, dos o más
fermiones no pueden ocupar el mismo estado de energía simultáneamente.
A.1 Cuarks
Su carga eléctrica se encuentra medida en tercios de “e” (carga del electrón ), esta
medida sorprendió mucho a los físicos cuando lograron obtenerla, debido a que nunca antes
en la naturaleza se había encontrado tal tipo de carga, es decir, se suponía que no existían
partículas con cargas eléctricas en fracciones de “e”. Tal vez por esa misma razón los
cuarks no pueden encontrarse “aislados”. Para formar los distintos tipos de partículas, los
cuarks deben agruparse completando cargas eléctricas enteras, o sea múltiplo enteros de
“e”, por ejemplo; - 2e,- e, 0, + e ,+ 2e. La regla sigue en pie, los cuarks no se pueden, ni se
han encontrado aislados. Como se muestra en la Tabla 1, existen 6 tipos de cuarks. Los que
se denominan: d, u, t, b, c, s, notación que proviene de la primera letra de su respectivo
nombre en inglés, a saber: down, up, top, bottom, charmed, strange.
Cuarks
Nombre
u
d
c
s
t
b
Nombre en inglés
UP
DOWN
CHARMED
STRANGE
TOP
BOTTOM
Carga Eléctrica
2/3 e
-1/3 e
2/3 e
-1/3 e
2/3 e
-1/3 e
Masa
~ 5MeV
~ 10MeV
~ 1500MeV
~ 150MeV
~ 174000Mev
~ 5000MeV
Tabla N ° 1. Nombre, valores de las cargas eléctricas y masas de los cuarks
La masa de un cuark sólo se puede interpretar como un parámetro en la teoría, la
La masa de un cuark se puede interpretar como un parámetro de la teoría, la masa de un
cuark d está entre una y tres cienmilésimas de la masa del electrón, mientras que el cuark b
es unas cinco veces más masivo que el protón, y el cuark t, que se detectó en Fermilab
(1995), tiene una masa superior, unas 174 veces la masa del protón. Ejemplo: para el cuark
u (2/3e) existe un anticuark llamado anti u de carga eléctrica (–2/3e). Por simple adición
de cargas se pueden formar los protones, neutrones, etc... Para cada uno de los cuarks existe
una “antipartícula” llamada “anticuark”. Los anticuark poseen las mismas propiedades de
los cuarks, pero su carga eléctrica es opuesta.
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Veamos algunos ejemplos. Un neutrón se forma con: cuark d (-1/3e) + cuark u
(2/3e) + cuark d (-1/3e). Si sumamos los valores entre paréntesis, nos damos cuenta de la
razón por la cual el neutrón no tiene carga. Un protón se forma con: cuark u (2/3e) + cuark
d (-1/3e) + cuark u (2/3e). Si sumamos los valores entre paréntesis, nos damos cuenta de la
razón por la cual el protón tiene carga +e.
Hadrones
Los hadrones son agrupaciones de cuarks que se clasifican según el número de
cuarks que los componen, de la siguiente forma:
Bariones
Se forman con tres cuarks, por ejemplo los protones y neutrones. En griego “barios”
significa pesado, por lo general los bariones son las partículas más masivas, aunque existen
mesones que son más pesados que muchos bariones.
Mesones
Se forman con un cuark y su respectivo anticuark. En griego “mesos” significa
intermedio. Todos los mesones son inestables y decaen desintegrándose en millonésimas de
segundos. Por ejemplo, los mesones pi cargados y los K, que son los que tienen un mayor
tiempo de vida se desintegran en una cienmillonésima de segundo, transformándose,
finalmente, en protones y electrones.
Leptones
Son el otro tipo de partículas fundamentales, su nombre proviene del griego
“leptos”, que significa liviano. Como lo dice su nombre, los leptones son generalmente las
partículas fundamentales más livianas que existen. Sus cargas eléctricas siempre son
múltiplos enteros de “e”. Ellos no necesitan agruparse como los cuarks, los podemos
encontrar solos o acompañados. El electrón es uno de ellos y podemos encontrar átomos
con un único electrón (átomo de hidrógeno) o con 92 electrones (átomo de uranio)
orbitando en torno al núcleo atómico. La masa del electrón es 9.109 x 10-28 [gramos], el
muón es 207 veces más masivo que el electrón, el tauón es unas 3500 veces más masivo
que el electrón, por lo tanto el tauón es más masivo que un protón, aunque éste sea un
leptón. Es el leptón más pesado que existe. Entre los leptones encontramos a los neutrinos
que son partículas pequeñísimas, si es que tienen masa es muy pequeña, si no la tuviesen
viajarían a la velocidad de la luz.
Leptones
Nombre en inglés
Electrón
Neutrino
electrónico
Muón
Neutrino
muónico
Tauón
Neutrino Tauónico
Nombre
e
νe
µ
νµ
τ
ντ
Carga Eléctrica
-e
0
-e
0
-e
0
Masa
0.5Mev
~0
105.7MeV
~0
1737MeV
~0
Tabla 2. Valor de las cargas eléctricas y masas de leptones
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La mayor parte de los neutrinos y los antineutrinos atraviesan la Tierra en línea recta sin
interactuar ni una sola vez. La mayor parte de ellos proviene de los procesos nucleares que
ocurren en el sol. Al electrón, muón y tauón, le corresponde un neutrino, por ejemplo, el
electrón sólo interactúa con el neutrino electrónico, así como el muón lo hace con el
neutrino muónico.
En 1973 empezó a funcionar el primer detector de neutrinos solares, que consistía
de 600 toneladas de cloro sumergidas en una vieja mina de oro en Dakota del Sur. Se logró
detectar del orden de una docena de neutrinos al mes. El experimento fue todo un éxito y
sus resultados han sido confirmados posteriormente, pero, por otra parte, planteó nuevos
problemas, ya que los cálculos teóricos predecían aproximadamente el triple de neutrinos
capturados. Este problema se resuelve con el concepto de oscilación de los neutrinos, lo
que implica que tienen masa, aunque muy pequeña.
B. Bosones
A los bosones le corresponde valores del espín: 1h, 2h,......; o sea cantidades enteras
de la constante de Planck. Esta propiedad no restringe el número de partículas que pueden
ocupar un mismo estado de energía. Todos los cuerpos interactúan entre sí, así como
nosotros nos relacionamos con las demás personas, y tenemos diversas formas de
comunicarnos. A nivel cuántico ocurre lo mismo, de alguna manera las partículas se
comunican. Ese papel lo juegan los bosones, partículas responsables de las interacciones,
pues permiten que las partículas de materia se puedan comunicar entre ellas. En la
naturaleza existen 4 interacciones fundamentales: la interacción electromagnética, la
interacción gravitatoria, la interacción fuerte, la interacción débil. Sin embargo, a nivel
atómico hasta la fecha sólo se consideran 3 tipos de interacciones, debido a que los efectos
de la interacción gravitatoria son muy pequeños a nivel de partículas.
B.1 Interacción electromagnética:
Los átomos pueden mantener electrones orbitando en torno al núcleo, debido a la
interacción electromagnética. Como ya se mencionó, el electrón tiene carga negativa y el
núcleo carga positiva, por lo cual estos se atraen y logran contrarrestar las cargas, para que
esto ocurra debe existir el mismo número de protones y electrones en el átomo, o sea el
átomo debe ser neutro, aunque estos también pueden ionizarse ganando o perdiendo
electrones. Existe una partícula fundamental que es la responsable de que esta interacción
se realice y es el fotón. El fotón es una partícula sin masa y viaja a la velocidad de la luz.
Los fotones pueden ser absorbidos o emitidos por el átomo.
Por lo general, los electrones en un átomo se encuentran en estados de menor
energía, sin embargo para que un átomo pueda liberar electrones se necesita que fotones
choquen con él, llevándolo a niveles de mayor energía, estos niveles se denominan estados
excitados. Existen fotones específicos que logran que el electrón abandone su átomo y
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quede en libertad. En resumen al chocar un fotón de cualidad especial con un átomo, libera
un electrón. De esta forma podemos encontrar en la naturaleza átomos cargados
eléctricamente, los cuales son llamados iones.
B.2 Interacción gravitatoria:
Es la interacción que percibimos diariamente y en gran escala. Por ella caminamos y
no flotamos. Fue descubierta ya hace muchos años por un brillante físico llamado Isaac
Newton, el cual logró unificar las distintas ideas que se tenían. En sus años era sabido que
la tierra orbitaba en torno al sol, la existencia de otros planetas y que ellos también
orbitaban en torno a él, también era sabido que las cosas al dejar de sostenerlas iban a dar al
suelo (caían) con la misma aceleración llamada aceleración de gravedad (ella varía
dependiendo del lugar donde nos encontremos en el polo o en el Ecuador) su valor a nivel
del mar más aceptado actualmente es de 9.8 m/s2. Lo brillante de Newton fue darse cuenta
que todos esos fenómenos ocurrían por un sólo motivo, al cual llamó fuerza gravitatoria.
Hasta la fecha se desconoce la existencia de la partícula portadora de esta interacción. Se
supone su existencia y es llamada “gravitón”, a pesar del esfuerzo de algunos, su existencia
no está totalmente probada.[6]
B.3 Interacción fuerte
Esta interacción es la más intensa de todas, y es la responsable de que los protones
se mantengan unidos en el núcleo, lo cual no debería ocurrir, ya que eléctricamente las
cargas de igual signo se repelen. La interacción fuerte va creciendo, es más fuerte, a
medida que se separan los cuarks, pero llega un momento en que esta interacción deja de
actuar, cuando eso ocurre se ha invertido tanta energía para separarlos que se logran formar
dos nuevos cuarks, debido a la equivalencia energía-masa de Einstein. Se hace la analogía
con un resorte, mientras más lo estiro, cuesta más seguir estirándolo, llega un momento en
que el resorte se rompe. Esta es una de las tantas razones por la cual no podemos encontrar
cuarks aislados.
La partícula portadora de esta interacción es el “gluón”, en el idioma inglés “glue”
significa pegamento. El gluón no posee masa, se encuentra unido a los cuarks como una
cualidad, la energía de un gluón es inseparable del cuark, a esta cualidad de ellos se
denomina carga de color. Para poder comprender cómo actúa esta interacción, los físicos la
relacionaron con colores, asignaron colores a los gluones y reglas de los colores que ellos
deben cumplir, por supuesto, en la realidad los gluones no son de colores, es solo para
poder entenderlo. Los colores primarios son: rojo, verde, azul. Al combinar estos tres
colores en iguales proporciones se forma la luz blanca. Existen los colores
complementarios que se forman mezclando los primarios, ellos son: cian, magenta,
amarillo, como se muestra en la Figura 3. Al mezclar un color primario con su respectivo
complementario formamos el blanco, el respectivo color complementario se muestra en la
Tabla 3. A los gluones se les asigna uno de los colores primarios, por lo cual los cuarks
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quedan cargados con un color, ellos para unirse deben formar el color blanco, debido a que
en la naturaleza solo encontramos partículas blancas.
Tabla 3
Color
Primario
Rojo
Azul
Verde
Color
Complementario
Cian
Amarillo
Magenta
Figura 3. Se muestran los
colores primarios y como ellos
se mezclan para formar los
colores complementarios.
Para formar un barión necesitamos tener un cuark azul, un cuark verde y otro cuark rojo,
ellos a su vez deben cumplir la condición que la suma de sus cargas eléctricas sea múltiplo
entero de “e”. Por ejemplo para formar un neutrón se necesita un cuark d rojo, un cuark u
azul, un cuark d verde.
B.4 Interacción débil
La interacción débil es la responsable de la desintegración de partículas masivas en
partículas menos masivas y a veces más estables, esta interacción como lo dice su nombre
es la más débil de todas las interacciones, cuanto más crece la distancia entre dos partículas
que la estén experimentando, tanto más débil la interacción se va haciendo. Por ejemplo, un
neutrón decae en un protón, electrón y un antineutrino, un muón tarda en promedio unas
dos millonésimas de segundo para desintegrarse en un electrón, mientras que un tauón tarda
3x10-13 segundos para trasformarse en un muón, todo esto gracias a esta interacción.
Cuando se desintegra un neutrón queda un protón y un electrón. El momentum,
producto de la masa que posee la partícula por la velocidad que ella lleva, no se mantiene
constante, o sea, el momentum inicial antes de la desintegrarse el neutrón no es el mismo
que después de desintegrarse, esto estaría violando la ley de conservación de momentum de
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Newton, por lo cual el momentum faltante es asignado a una nueva partícula. Enrico Fermi
llamó a esta nueva partícula “neutrino” que en su idioma significa neutroncito.
Conclusión
Hemos esbozado este trabajo con el único objetivo de despertar la curiosidad del
lector que tiene el ánimo de saber más sobre estos tópicos. La física no es una ciencia que
quiera explicar el origen mismo de las cosas, sino de qué se componen y cómo se
comportan. El estudio formal de estos temas comienza con disciplinas como la mecánica
cuántica y mecánica estadística. Esto constituye una invitación para el lector a profundizar
en tópicos tan relevantes de la física como los mencionados en el presente trabajo.
Agradecimientos
Agradecemos el apoyo financiero del proyecto FDI concurso 2002 del Mineduc
“Apoyando a los Físicos del Mañana”, programa Licenciatura en Física con mención en
Astronomía U.C.N, proyecto FONDECYT 1010776. Agradecemos a M. Díaz y M.
Bañados sus aportes en la preparación del manuscrito del presente trabajo.
Referencias
[1] F. Claro, “A la sombra del asombro”, Ed. Andrés Bello.
[2] E. L. Koo “El electrón centenario” Fondo de Cultura Económica. México, D.F. (1999)
[3] A. Menchaca Rocha “El discreto encanto de las partículas elementales”
http://biblioteca.redescolar.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/068/htm/discre
to.htm
[4] P. Troncoso, R. Arrué, S. Curilef, “Un juego basado en el modelo estándar”, Acta de
Contribuciones XIII Simposio Chileno de Física, 429-430 (2002)
[5] L. Roa, “El concepto de partícula”, Charlas de Física 16, 29-38 (1999)
[6] G. Vogel, “La Velocidad De La Gravedad”
http://www.profisica.cl/menus/menunoticias.html
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