1 Introducción

A finales del siglo XIX, muchos científicos creían que los fenómenos del universo podían explicarse casi por completo mediante tres grandes teorías: la ley de la gravitación universal propuesta por Newton, que unificaba el movimiento celeste y terrestre bajo la acción de la gravedad; el modelo atómico de Dalton, que concebía la materia como formada por átomos indivisibles; y la teoría electromagnética de Maxwell, que integraba las fuerzas eléctrica y magnética en un marco teórico unificado.

Sin embargo, comenzaron a producirse una serie de descubrimientos experimentales que no podían explicarse dentro de la física clásica conocida hasta entonces:

En 1887, Heinrich Hertz observó un fenómeno relacionado con la emisión de electrones al iluminar ciertos metales mientras realizaba experimentos destinados a confirmar la existencia de las ondas electromagnéticas predichas por Maxwell. Este fenómeno sería posteriormente conocido como efecto fotoeléctrico.

En 1895, Wilhelm Roentgen descubrió los rayos X – denominados así por su naturaleza inicialmente desconocida – y se comprobó que se trataba de una forma de radiación electromagnética de frecuencia y energía muy elevadas, superiores a la luz ultravioleta.

En 1896, Henri Becquerel observó la radiactividad natural en sales de uranio. Las emisiones radiactivas se clasificaron posteriormente en tres tipos: alfa (α), beta (β) y gamma (Ɣ).

En 1897, J.J. Thomson identificó unas partículas diminutas con carga eléctrica negativa, mucho menores que los átomos, a las que denominó electrones, demostrando por primera vez que el átomo no era indivisible.

Estos resultados pusieron de manifiesto la necesidad de desarrollar nuevas teorías capaces de describir el comportamiento del mundo atómico y subatómico. Esta necesidad impulsó el surgimiento de la física cuántica (o mecánica cuántica), la teoría de la relatividad y la física nuclear, disciplinas que constituyen la base de la física moderna. Para comprender el universo a escala microscópica y macroscópica resulta esencial describir las partículas como entidades que obedecen simultáneamente las leyes de la mecánica cuántica y de la relatividad.

A diferencia de la teoría especial de la relatividad, que puede entenderse como una extensión y perfeccionamiento de la física newtoniana, la mecánica cuántica supuso una ruptura profunda con la física clásica. Introdujo una descripción probabilística de la naturaleza y el uso de magnitudes discretas o cuantizadas, en claro contraste con la concepción determinista y continua que había dominado la física hasta ese momento.

En los siguientes capítulos exploraremos el desarrollo de la mecánica cuántica desde sus orígenes hasta la formulación del modelo estándar de la física de partículas. El texto se estructura en tres grandes bloques temáticos: la mecánica cuántica, la teoría cuántica de campos y la física de partículas, disciplinas profundamente interrelacionadas que conforman el núcleo conceptual de la física moderna.

El marco teórico que hoy sintetiza nuestro conocimiento sobre los constituyentes elementales de la materia y las interacciones fundamentales entre ellos es el modelo estándar de la física de partículas. De acuerdo con este modelo, las partículas se agrupan en dos grandes familias:

Fermiones, que constituyen la materia. A su vez, se clasifican en:

Leptones, como el electrón y los neutrinos.

Quarks, que se combinan entre sí para formar partículas compuestas denominadas hadrones, entre las que se distinguen:

Bariones, formados por tres quarks, como el protón y el neutrón.

Mesones, formados por un quark y un antiquark.

Bosones, que incluyen el fotón, los bosones W y Z, el gluón y el bosón de Higgs, cada uno asociado a una interacción fundamental o a un mecanismo físico esencial.

El modelo estándar de la física de partículas también incluye la existencia de las antipartículas, una de las consecuencias más profundas de la mecánica cuántica y la relatividad, que desempeñan un papel central tanto en la física de partículas como en la cosmología moderna.

A lo largo del libro, estos conceptos se introducirán progresivamente y se desarrollarán con mayor profundidad, culminando en un capítulo específico dedicado a las partículas fundamentales del modelo estándar.