25 Las partículas fundamentales

 

Desde que J. J. Thomson descubriera el electrón en 1897, se han identificado más de un centenar de partículas subatómicas. Como hemos visto en capítulos anteriores, estos descubrimientos han permitido desarrollar el modelo estándar de la física de partículas. La gran mayoría de las partículas subatómicas observadas no son fundamentales, sino que están compuestas a su vez por entidades más pequeñas.

La física de partículas, también conocida como física de altas energías (HEP, por sus siglas en inglés High Energy Physics), es la rama de la física dedicada al estudio de las partículas fundamentales y de las interacciones que se producen entre ellas.

Del mismo modo que la teoría cuántica de campos puede considerarse una extensión natural de la mecánica cuántica, la física de partículas moderna – incluido el modelo estándar – constituye una aplicación avanzada y altamente estructurada de dicha teoría, en la que múltiples campos cuánticos e interacciones se integran en una descripción teórica unificada.

El modelo estándar describe un conjunto finito de partículas fundamentales, que constituyen los bloques básicos de la materia y de las interacciones conocidas.

El calificativo de “fundamentales” indica que, según el conocimiento actual, estas partículas no presentan estructura interna observable. No obstante, esta condición podría modificarse en el futuro, ya que ninguna ley física conocida impide que dichas partículas estén compuestas por entidades todavía más elementales.

Como se muestra en el esquema anterior, las partículas de materia se agrupan en tres generaciones:

Primera generación. Formada por el electrón, su neutrino asociado y los quarks up y down. La materia ordinaria estable que nos rodea está constituida exclusivamente por partículas de esta generación.

Segunda y tercera generaciones. Contienen partículas con los mismos números cuánticos que las de la primera generación, pero con masas progresivamente mayores. Estas partículas son inestables y se desintegran rápidamente en partículas de generaciones inferiores.

En el caso de los quarks, cada generación está formada por una pareja de sabores distintos. En el sector leptónico, el modelo estándar distingue tres familias leptónicas, cada una compuesta por un leptón cargado y su neutrino asociado. En las interacciones débiles, se habla de sabores leptónicos para referirse al tipo de leptón implicado (electrónico, muónico o tauónico), una clasificación que resulta especialmente relevante en el estudio de las oscilaciones de neutrinos, que veremos en el capítulo dedicado a estas partículas.

El modelo estándar incluye asimismo las antipartículas correspondientes a las partículas fundamentales, con propiedades idénticas salvo por la inversión de ciertos números cuánticos:

Los 18 antiquarks, correspondientes a los seis sabores de quarks y sus tres colores:

El antielectrón (o positrón).

El antimuón.

La antipartícula tau (o antitauón).

Los antineutrinos.

 

Los fermiones y los bosones.

Las partículas subatómicas, ya sean fundamentales o compuestas, se clasifican en dos grandes categorías: fermiones y bosones. Los fermiones constituyen la materia, mientras que los bosones actúan como mediadores de las interacciones fundamentales o, en el caso del bosón de Higgs, están asociados a mecanismos físicos esenciales como la generación de masa.

Los fermiones presentan las siguientes características generales:

Poseen espín semientero (1/2).

Satisfacen el principio de exclusión de Pauli, según el cual dos fermiones no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico.

Su comportamiento colectivo se describe mediante la estadística de         Fermi-Dirac.

Los bosones, por su parte, se caracterizan por:

Tener espín entero (0 ó 1).

No estar sujetos al principio de exclusión de Pauli, lo que permite que múltiples bosones ocupen el mismo estado cuántico.

Obedecer la estadística de Bose-Einstein, responsable de fenómenos como la condensación de Bose-Einstein.

Algunos conceptos relacionados con el espín, como la helicidad y la quiralidad, desempeñan un papel central en la estructura del modelo estándar y en el comportamiento de las partículas fundamentales. Aunque estos conceptos se aplican de manera general a fermiones y bosones, su relevancia es especialmente notable en el contexto de la interacción débil y de los neutrinos, y serán analizados con mayor detalle en el capítulo siguiente.

 

Las partículas fundamentales fermiónicas.

Quarks. No pueden observarse como partículas libres debido al confinamiento del color y siempre se encuentran agrupados en hadrones, que pueden ser:

Bariones, formados por tres quarks.

Mesones, formados por un quark y un antiquark.

Leptones. No participan en la interacción fuerte. Existen seis sabores de leptones, distribuidos en tres generaciones: el electrón, el muón y la partícula tau, junto con sus respectivos neutrinos asociados.

 

Las partículas fundamentales bosónicas.

Fotón. Bosón mediador de la interacción electromagnética. No posee masa.

Bosones W y Z. Mediadores de la interacción débil.

Gluón. Bosón mediador de la interacción fuerte. No posee masa.

Bosón de Higgs. Asociado al mecanismo de generación de masa de las partículas fundamentales.

 

Las partículas compuestas.

Las partículas compuestas también pueden ser fermiones o bosones. En la práctica, la mayoría de los fermiones compuestos conocidos son bariones, mientras que los mesones constituyen el ejemplo más habitual de bosones compuestos.

Bariones. Son hadrones formados por tres quarks y con espín semientero. Los más representativos son el protón (dos quarks up y un quark down) y el neutrón (dos quarks down y un quark up), conocidos conjuntamente como nucleones.

Mesones. Son hadrones formados por un quark y un antiquark. Al tener espín entero, los mesones se comportan como bosones, lo que permite clasificarlos dentro de esta familia a pesar de ser partículas compuestas. Son partículas inestables que se desintegran rápidamente en otras partículas más ligeras. Aunque no median una interacción fundamental, el intercambio de mesones, en particular de piones, desempeña un papel clave en la descripción efectiva de la fuerza nuclear residual entre nucleones, una manifestación de la interacción fuerte.

Los piones constituyen el ejemplo más importante y mejor estudiado de mesones. Fueron descubiertos en 1947 por Cecil Powell y colaboradores, a partir del estudio de los productos generados por el impacto de rayos cósmicos sobre la atmósfera terrestre. Fueron los primeros mesones observados experimentalmente, además de ser los más ligeros.

Existen tres tipos de piones, que se diferencian por su carga eléctrica:

Pión positivo π⁺, formado por un quark up y un antiquark down. Se desintegra principalmente en un antimuón (µ⁺) y en un neutrino muónico (𝝊_𝝁):

Pión negativo π^–, formado por un quark down y un antiquark up, y antipartícula del anterior. Se desintegra principalmente en un muón (µ^–) y en un antineutrino muónico (‾𝝊_𝝁):

Pión neutro π⁰, que es su propia antipartícula y está constituido por una superposición de pares quark–antiquark: up–antiup y down–antidown. Es más inestable que los piones cargados y se desintegra casi exclusivamente en dos fotones en forma de radiación gamma.

Otros mesones, como el mesón 𝑱/𝝍, formados por quarks pesados, desempeñaron un papel crucial en la confirmación experimental del modelo de quarks, aunque no intervienen en la descripción efectiva de la fuerza nuclear residual.

 

Resumen esquemático de las partículas.

Podemos resumir las distintas partículas en el siguiente esquema:

 

Los hadrones exóticos.

Son partículas subatómicas ligadas por la interacción fuerte cuyo contenido de quarks difiere del de los hadrones ordinarios. Estas partículas fueron predichas en el marco de la cromodinámica cuántica y observadas experimentalmente en el LHC del CERN en las últimas décadas, como el pentaquark (2015) y el tetraquark (2022). Ambos contienen diferentes combinaciones de quarks y antiquarks.

Asimismo, se han propuesto y buscado estados compuestos exclusivamente por gluones, denominados bolas de gluones (del inglés glueballs), cuya identificación experimental inequívoca sigue siendo un desafío abierto.

 

La materia bariónica.

En cosmología, se denomina materia bariónica a la materia formada por bariones y leptones, es decir, la materia ordinaria que constituye estrellas, planetas y seres vivos. Las observaciones actuales indican que la materia bariónica representa aproximadamente el 5 % de la densidad total del universo, mientras que el resto corresponde a materia oscura (27 %) y energía oscura (68 %).

 

El muón.

El muón (µ^–) es una partícula fundamental perteneciente a la segunda generación de leptones. Posee carga eléctrica negativa, como el electrón, pero su masa es aproximadamente 207 veces mayor. Fue la primera partícula fundamental descubierta que no es constituyente de la materia ordinaria. Está asociada a su correspondiente antipartícula, el antimuón (µ⁺).

Fue descubierto en 1936 por Carl David Anderson y Seth Neddermeyer al estudiar la radiación cósmica mediante una cámara de niebla. En estos experimentos detectaron partículas cargadas que se curvaban al atravesar un campo electromagnético de forma distinta a los electrones y a otras partículas conocidas, mostrando una curvatura intermedia entre la del electrón y la del protón, lo que indicaba una masa significativamente mayor que la del primero, pero muy inferior a la del segundo.

Los muones se producen de manera natural cuando los rayos cósmicos de alta energía colisionan con átomos en las capas altas de la atmósfera terrestre. En su modo de desintegración más frecuente, un muón negativo decae en un electrón (e^–), un antineutrino electrónico (‾𝝊_𝒆) y un neutrino muónico (𝝊_𝝁):

La vida media del muón es de aproximadamente 2,2 microsegundos. Dado que se desplaza a velocidades muy cercanas a la de la luz, en ausencia de efectos relativistas solo podría recorrer unos 660 metros antes de desintegrarse. Por esta razón, se pensó inicialmente que era muy poco probable que los muones producidos en las capas altas de la atmósfera alcanzaran la superficie terrestre.

Sin embargo, el experimento de Rossi–Hall, realizado en 1942, detectó un número de muones en la superficie terrestre muy superior al esperado según los cálculos clásicos. Este resultado se explica por la dilatación del tiempo predicha por la teoría de la relatividad especial. Mientras que para un observador ligado al muón su vida media es un tiempo propio, para un observador en la superficie terrestre el intervalo de tiempo entre su creación y su desintegración es mayor. Como consecuencia, los muones pueden recorrer distancias del orden de 6.600 metros antes de desintegrarse, lo que permite que una fracción significativa de ellos alcance el suelo. Este fenómeno constituyó una de las primeras confirmaciones experimentales directas de la dilatación del tiempo relativista.

 

La partícula tau (o tauón).

La partícula tau, o tauón (𝝉‾), es una partícula fundamental masiva que pertenece a la tercera generación de leptones. Posee carga eléctrica negativa, al igual que el electrón y el muón, pero su masa es aproximadamente 17 veces mayor que la del muón y casi el doble que la del protón. Su vida media es extremadamente corta. Está asociada con su correspondiente antipartícula, el antitauón (𝝉⁺).

Fue descubierto en 1975 por Martin Lewis Perl al estudiar ciertas anomalías en las colisiones electrón-positrón realizadas en el SLAC de Stanford. Perl propuso que en estas colisiones se producía un par de nuevas partículas muy masivas – el tauón y el antitauón – que se desintegraban rápidamente en otras partículas observables.

El tauón es el único leptón con masa suficiente para desintegrarse en estados hadrónicos. Entre los canales de desintegración más frecuentes, todos ellos mediados por la interacción débil, se encuentran:

Desintegración hadrónica: un quark down (d), un antiquark up ( ) y un neutrino tauónico ( ). En la práctica dichos quarks se combinan inmediatamente formando mesones. Se trata del canal más frecuente.

Desintegración leptónica electrónica: un neutrino tauónico ( ), un electrón (e^-) y un antineutrino electrónico (‾𝝊_𝒆).

Desintegración leptónica muónica: un neutrino tauónico ( ), un muón (µ^–) y un antineutrino muónico .

 

Los neutrinos.

Los neutrinos son partículas fundamentales eléctricamente neutras y de masa extremadamente pequeña. Presentan propiedades singulares que justifican un tratamiento específico, desarrollado en el capítulo siguiente.

 

Cronología del descubrimiento de las partículas.

1897. Electrón. J. J. Thomson lo descubrió mediante experimentos con tubos de rayos catódicos, demostrando por primera vez la existencia de una partícula subatómica con carga eléctrica negativa.

1917. Protón. Ernest Rutherford identificó el protón como el núcleo del átomo de hidrógeno al estudiar procesos de transmutación nuclear inducidos por partículas alfa, estableciendo la existencia de un constituyente fundamental del núcleo atómico.

1926. Fotón. Gilbert N. Lewis introdujo este término para denominar los “cuantos de luz” propuestos por Albert Einstein en 1905, consolidando el concepto cuántico de la radiación electromagnética.

1932. Neutrón. James Chadwick lo descubrió al bombardear una lámina de berilio con partículas alfa, identificando una nueva partícula neutra con masa similar a la del protón.

1932. Positrón. Carl David Anderson lo descubrió al estudiar trayectorias de rayos cósmicos en una cámara de niebla sometida a un campo magnético.

1936. Muón. Carl David Anderson y Seth Neddermeyer lo descubrieron en otro experimento con rayos cósmicos realizado en una cámara de niebla.

1955. Antiprotón. Emilio Segre y Owen Chamberlain lo descubrieron en el Bevatron de Berkeley.

1956. Antineutrón. Bruce Cork y sus colaboradores lo descubrieron en el Bevatron de Berkeley.

1956. Neutrino electrónico. Clyde Cowan y Frederick Reines demostraron su existencia (en realidad, el antineutrino electrónico) usando un reactor nuclear como fuente y detectores de agua con cadmio y centelleadores.

1962. Neutrino muónico. Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger identificaron este neutrino en un experimento con haces de partículas en el Brookhaven National Laboratory de New York. De esta forma demostraron que existía más de un tipo de neutrino.

1973. Quarks. Los experimentos realizados por Jerome Friedman, Henry Kendall y Richard Taylor en el SLAC de Stanford aportaron evidencia experimental decisiva de la existencia de constituyentes puntuales en el protón. Estos constituyentes se identificaron con los quarks propuestos teóricamente en 1964 por Murray Gell-Mann y George Zweig, en particular los quarks arriba (up), abajo (down) y extraño (strange).

1974. Quark encanto (charm). Fue identificado experimentalmente mediante la observación del mesón 𝑱/𝝍 en experimentos independientes realizados en el SLAC y en el Brookhaven National Laboratory. Este descubrimiento, conocido como la Revolución de Noviembre, proporcionó la primera evidencia directa de la existencia del quark encanto y consolidó definitivamente el modelo de quarks.

1975. Tau o tauón. Martin Lewis Perl lo descubrió al analizar anomalías en colisiones electrón–positrón en el SLAC de Stanford.

1977. Quark fondo (bottom). Leon Lederman y su equipo lo descubrieron en el sincrotrón del Fermilab.

1979. Gluón. Observado indirectamente por primera vez en el colisionador de partículas PETRA del laboratorio DESY, en Alemania.

1983. Bosones W y Z. Carlo Rubbia y Simon van der Meer los descubrieron en el CERN.

1995. Quark cima (top). Descubierto en el Tevatron del Fermilab.

2000. Neutrino tauónico. La primera evidencia directa se obtuvo en el Fermilab.

2012. Bosón de Higgs. Descubierto en el experimento ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

 

Conclusión.

El inventario de las partículas fundamentales del modelo estándar constituye el resultado más sólido de la física de partículas contemporánea. No obstante, esta descripción, aunque extraordinariamente precisa, deja abiertas cuestiones profundas: la inclusión de la gravedad, el origen último de las constantes fundamentales y la unificación completa de todas las interacciones. Estas preguntas nos conducen inevitablemente a la búsqueda de una teoría más profunda, aún por construir, que aspire a describir de manera coherente todas las fuerzas de la naturaleza.