FÍSICA DE PARTÍCULAS

En la Teoría Atómica de la Materia propuesta por John Dalton en un lejano 1808, el átomo era la partícula elemental. En 1897, J. J. Thomson descubre el electrón. En 1913, llegó la Teoria de Bohr para el átomo nuclear. En 1932, se descubre el neutrón. Todo esto empezó a dejar claro que había mucho más de lo que pensaba John Dalton en la estructura del átomo. En 1932 se descubría el positrón y el antielectrón y poco después se predecían y descubrían más partículas: el Muón, el Pión,... El frasco de las partículas estaba abierto.

A partir de 1950, se dispara la inversión en investigación de Física de Partículas y los resultados no tardan en llegar. Más y más partículas nuevas son detectadas. ¿Son todas fundamentales?... La Ciencia no lo cree. Surgen nuevas Teorías y más experimentos. Los resultados siguen llegando. Además de las propiedades más comunes como la masa, la carga o el espín, se han descubierto nuevas propiedades con nombres tan caprichosos (¿o frikis?) como extrañeza, encanto, color, fondo,... Todo esto y muchísimo más es la Física de Partículas. Muchas de las personas que trabajan en este campo se plantean una nueva cuestión: ¿Tiene sentido que existan tantas partículas elementales en la Naturaleza?... ¿Será cuestión de "mirar" empleando más energía?...

¿Qué es eso que llamamos Física de Partículas?... La Física de las Partículas Elementales estudia las propiedades de los constituyentes básicos del Universo y de las fuerzas e interacciones que los rigen.

Detección del Bosón de Higgs en el CERN

Las partículas fundamentales se dividen en dos grandes grupos: Bosones y Fermiones.

Los Bosones son partículas de espín entero (0, 1, 2...), que son las responsables de transmitir las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los Bosones no cumplen el Principio de Exclusión de Pauli, por lo que dos partículas pueden ocupar el mismo estado cuántico. Los Bosones son cuatro: Fotón (responsable de la interacción electromagnética) , Bosón Z (responsable de la interacción débil), Bosón W (responsable de la interacción débil) y Gluón (responsable de la interacción fuerte).

¿Y el famoso Bosón de Higgs?... Como es un Bosón, tiene espín entero (cero en su caso), no posee carga eléctrica y no interacciona con el Fotón ni con el Gluón. Sin embargo interacciona con todas las partículas que poseen masa: Quarks, Leptones cargados y los Bosones W y Z de la interacción débil.

Los Fermiones son partículas con espín fraccionario (1/2, 3/2,...) y que sí están sujetos al Principio de Exclusión de Pauli, es decir, que dos partículas no pueden estar en un mismo estado cuántico en el mismo momento. Los Fermiones, a diferencia de los Bosones, no son todos partículas elementales. Por ejemplo, los protones y neutrones son Fermiones pero están compuestos de Quarks (que sí se consideran elementales). Los Fermiones se dividen en Quarks y Leptones. Los Leptones pueden existir aislados mientras que los Quarks se encuentran siempre con otros Quarks. 

En el siguiente cuadro se muestra un resumen de las Partículas Fundamentales:

Dentro del estudio de la Física de Partículas, otra familia importante son los Hadrones. Estas `partículas están compuestas de partículas elementales (Quark, antiQuark y Gluón). En estas partículas predomina la Interacción Fuerte aunque también se encuentran presentes la Interacción Débil y Electromagnética. Los Hadrones se dividen en Bariones y Mesones. 

Los Bariones contienen tres Quarks, Gluones y antiQuarks. Los Bariones más conocidos son los Nucleones (Protones y Neutrones).

Los Mesones contienen un Quark, un antiQuark y el Gluón que los une. Todos los Mesones son inestables. Algún ejemplos son el Pión y el Kaón.

Por último, es importante indicar que  todas estas partículas tienen su correspondiente antipartícula. También hay que destacar que una antipartícula no se identifica solamente sobre la base de la carga opuesta. Incluso las partículas neutras tienen antipartícula, la cual se define en función de otras propiedades, tales como el espín.

¿Hay conexión entre la Física de Partículas y el Universo?... Por un lado, la Física de Partículas se encarga de lo extremadamente pequeño, y por otro, la Cosmología se encarga la historia cósmica intentando acercarse cada vez más al primer instante del Big Bang. Y ese primer instante es el elemento de conexión: Comprender qué ocurre cuando dos partículas colisionan en un acelerador nos dará la clave para entender qué ocurrió de los primeros instantes de nuestra historia cósmica.

NOTAS:

Principio de Exclusión de Pauli: No puede haber dos fermiones con todos sus números cuánticos idénticos (el mismo estado cuántico de partícula individual) en el mismo sistema cuántico ligado.

Estado Cuántico: estado físico que en un momento dado tiene un sistema físico en el marco de la Mecánica Cuántica.

Información:

http://home.cern/

"Física para la Ciencia y la Tecnología". Tipler - Mosca. Editorial Reverté. Volumen 2.

Imágenes:

http://www.unr.edu.ar