Partículas Subatómicas y Partículas Elementales

Hola nuevamente aficionados a la ciencia ¿Cómo han estado? Espero que con muchas ganas de ponernos al tanto y aprender sobre nuevos temas en este blog. Ahora desarrollaré un tema algo más complejo y quizás no sea algo común que lo sepa todo el mundo. Me refiero al tema de las Partículas Subatómicas y Elementales.

Antes de comenzar habría que preguntarnos exactamente ¿Qué son las Partículas Subatómicas?

En un principio se le llamaba Partícula Subatómica a aquella partícula más pequeña que un átomo, es decir son sus componentes principales, los cuales son el Protón (en el núcleo del átomo y carga positiva), el Neutrón (en el núcleo también y carga neutra) y el Electrón (en la corteza con carga negativa).

Más adelante el descubrimiento de la estructura interna de Protones y Neutrones, reveló que estas eran partículas compuestas, es decir que existían elementos inclusive más pequeños que ellos, que las conformaban. Además el tratamiento cuántico usual de las interacciones entre las partículas nos dice que la cohesión del átomo requiere otras partículas bosónicas como los piones, gluones o fotones.

Los Protones y Neutrones por su parte están constituidos por Quarks (que son partículas Elementales y más adelante las explicaré a profundidad), como por ejemplo un Protón, el cual está formado por dos Quarks arriba (up) y un Quark abajo (down). Estos Quarks se unen mediante partículas llamadas Gluones, el cual significa “pegar” y mantiene unidos a los Quarks por medio de la fuerza Nuclear Fuerte.

Existen seis tipos diferentes de Quarks (Arriba o Up, Abajo o Down, Fondo o Bottom, Cima o Top, Extraño o Extrange y Encanto o Charm). Los protones se mantienen unidos a los neutrones por el efecto de los piones, que son mesones compuestos formados por parejas de quark y antiquark (a su vez unidos por Gluones). Existen también otras partículas elementales que son responsables de las fuerzas electromagnética (los Fotones) y Nuclear Débil (los Neutrinos y los Bosones W y Z). Los neutrones por su parte son partículas neutras con una masa muy similar a la del protón. Los distintos isótopos de un mismo elemento contienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones. El número másico de un elemento es el número total de protones más neutrones que posee en su núcleo.

Ahora bien, teniendo en cuenta que ya se tiene claro lo que son las partículas Subatómicas, habría que preguntarse ¿Qué son las Partículas Elementales?

Como ya se mencionó líneas arriba, las Partículas Elementales son aquellos componentes que forman Partículas Subatómicas tales como el Protón y el Neutrón, es decir son los constituyentes elementales de la materia, y más precisamente son partículas que no están constituidas por partículas más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna, hasta el momento.

Originalmente el término Partícula Elemental se usó para toda partícula subatómica como los Protones y Neutrones, los Electrones y otros tipos de partículas llamadas “exóticas” que solo pueden encontrarse en los rayos cósmicos o en los grandes aceleradores de partículas (como el que se encuentra en Europa), como los Piones o los Muones. Sin embargo, a partir de los años 70’s quedó claro que tanto los Protones como los Neutrones son Partículas Compuestas de otras partículas más simples, es decir que cuentan con elementos internos que la conforman y actualmente el nombre Partícula Elemental se usa para aquellas partículas que, hasta donde se conoce, no están formadas por partículas más simples, que en cuyo caso se descubriera algún componente más, habría que llamarlas diferente en un futuro.

La mayoría de las partículas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones normales en la Tierra, generalmente porque son inestables (se descomponen en partículas ya conocidas), o bien, son difíciles de producir de todas maneras. Estas partículas, tanto estables como inestables, se producen al azar por la acción de los rayos cósmicos al chocar con átomos de la atmósfera, y en los procesos que se dan en los aceleradores de partículas, los cuales imitan un proceso similar al primero, pero en condiciones controladas. De esta manera, se han descubierto docenas de partículas subatómicas, y se teorizan cientos de otras más. Ejemplos de partícula teórica es el Gravitón (actúa con la fuerza de Gravedad); sin embargo esta y muchas otras no han sido observadas en aceleradores de partículas modernos, ni en condiciones naturales en la atmósfera (por la acción de rayos cósmicos).

Ya sabiendo esto podemos preguntarnos ¿Cuáles son estas Partículas Elementales?

En la actualidad se cree que los Fermiones, formados por los Leptones y los Quarks y los Bosones Gauge, son todos los constituyentes más pequeños de la materia y por tanto serían partículas propiamente elementales.

Por un lado tenemos a los Fermiones, llamados así por su descubridor Enrico Fermi, los cuales, como ya lo dijimos, están separados en dos grupos, los Leptones y los Quarks. Los Leptones son una partícula con espín -1/2 en el caso de los neutrinos y +/- 1/2 en los demás leptones (un fermión) que no experimenta interacción fuerte. Estos están compuestos en 3 elementos que son el Electrón, el Muón y el Tau representado a su vez por su contraparte de carga neutra (Neutrino) el cual forma otros 3 elementos llamados Electrón Neutrino, Muón Neutrino y Tau Neutrino. 

Por otro lado tenemos a los Quarks que son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales (Gravedad, Electromagnetismo, Nuclear Fuerte y Nuclear Débil) y se separan en seis categorías: Arriba o Up, Abajo o Down, Fondo o Bottom, Cima o Top, Extraño o Extrange y Encanto o Charm. Son partículas parecidas a los Gluones en peso y tamaño, y esto se asimila en la fuerza de cohesión que estas partículas ejercen sobre ellas mismas. Son partículas de espín 1/2, por lo que son fermiones y forman, junto a los Leptones, la materia visible de todo el Universo.

Y por último tenemos a los llamados Bosones Gauge que son uno de los dos tipos básicos de partículas elementales de la naturaleza (el otro tipo son los Fermiones). La denominación para llamarlos “Bosón” fue dada en honor al físico indio Satyendra Nath Bose. Para ser considerado un Bosón tiene que cumplir con 3 características generales:

1. Tener un espín entero (0, 1, 2, etc).
2. No cumplen el principio de exclusión de Pauli y siguen la estadística de Bose-Einstein. Esto hace que presenten un fenómeno llamado condensación de Bose-Einstein (el desarrollo de máseres y láseres fue posible puesto que los fotones de la luz son bosones).
3. La función de onda cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas.

Algunos bosones, aunque se comportan como bosones, de hecho están compuestos de otras partículas, como por ejemplo, los núcleos de átomos de helio, que bajo ciertas condiciones, se comportan como bosones aún cuando están compuestos por cuatro Fermiones que, a su vez, no son Elementales cuando son examinados en experimentos de muy alta energía. En resumen podemos decir que la interacción de estas Partículas Elementales entre si permite que se formen las Partículas Subatómicas (Protón, Neutrón y Electrón) y estas, a su vez, conformen toda la materia visible que conocemos y que seguiremos conociendo a través de sus elementos más pequeños.

Espero les haya gustado este tema acerca de las Partículas Subatómicas y Elementales. En la siguiente edición de este blog les hablaré, sobre las Manchas Solares y en qué nos afectan. Nos vemos pronto y recuerden que siempre deben preguntar, indagar y experimentar, nunca dejen de hacerlo porque la ciencia es su amiga.