Las partículas subatómicas son los componentes básicos del universo, componentes que son más pequeños que un átomo. Son fundamentales para comprender las leyes de la naturaleza y la estructura de la materia. A lo largo de esta lección, nos embarcamos en una exploración de estas partículas, sus propiedades y cómo interactúan, sentando las bases para comprender la física de partículas.
El Modelo Estándar es la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas en el universo, excluyendo la gravedad, y clasifica todas las partículas subatómicas conocidas. Clasifica estas partículas en fermiones (partículas de materia) y bosones (portadores de fuerza).
Los fermiones se dividen a su vez en quarks y leptones, mientras que los bosones incluyen fotones, bosones W y Z, gluones y el bosón de Higgs. Los quarks se combinan para formar protones y neutrones, los componentes de los núcleos atómicos, mientras que los leptones incluyen electrones, que orbitan alrededor del núcleo.
Los quarks vienen en seis tipos o "sabores": arriba, abajo, encantador, extraño, superior e inferior. Experimentan las cuatro fuerzas fundamentales, incluida la fuerza nuclear fuerte que los mantiene unidos dentro de los protones y neutrones. Los quarks nunca se encuentran aislados debido a un fenómeno llamado "confinamiento del color"; existen en pares o en grupos de tres, formando hadrones como protones (dos quarks arriba y un quark abajo) y neutrones (dos quarks abajo y un quark arriba).
Los leptones, por el contrario, no experimentan la fuerza nuclear fuerte. El electrón es el leptón más conocido y se encuentra a menudo en la nube que rodea el núcleo atómico. Otros leptones incluyen el muón, tau y sus correspondientes neutrinos, que casi no tienen masa e interactúan muy débilmente con la materia.
Los bosones son partículas que median las fuerzas fundamentales. El fotón es el portador de la fuerza electromagnética, mientras que los bosones W y Z son los responsables de la fuerza nuclear débil, responsable de los procesos de desintegración nuclear. Los gluones transportan la fuerza nuclear fuerte y mantienen unidos a los quarks dentro de los protones y neutrones. El bosón de Higgs, descubierto en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), está asociado al campo de Higgs, que da masa a las partículas.
Cada tipo de partícula en el modelo estándar tiene una antipartícula correspondiente, idéntica en masa pero opuesta en otras propiedades, como la carga eléctrica. Cuando las partículas y las antipartículas se encuentran, se aniquilan, convirtiendo su masa en energía según la ecuación de Einstein, \(E = mc^2\) , donde \(E\) es energía, \(m\) es masa y \(c\) es la velocidad de la luz.
Varios experimentos han sido fundamentales para nuestra comprensión de las partículas subatómicas:
QCD es la teoría que explica la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales, que opera entre quarks y gluones. Postula que los quarks tienen una propiedad llamada "carga de color" y que el intercambio de gluones, que también tienen carga de color, media en la fuerza fuerte. La fuerza de la fuerza fuerte disminuye a medida que los quarks se acercan, una propiedad conocida como "libertad asintótica".
La teoría electrodébil unifica las fuerzas electromagnética y nuclear débil en un solo marco. Explica cómo, en niveles de energía elevados (como los que siguieron inmediatamente al Big Bang), estas dos fuerzas se comportan como una sola. La teoría predice la existencia de los bosones W y Z, confirmada posteriormente experimentalmente.
A pesar de su éxito, el Modelo Estándar no está completo. No incorpora la gravedad, descrita por la teoría de la relatividad general, ni explica la materia y la energía oscuras que constituyen la mayor parte del universo. Teorías como la supersimetría y la teoría de cuerdas proponen extensiones del modelo estándar, introduciendo nuevas partículas y conceptos en un intento de abordar estos misterios.
En conclusión, las partículas subatómicas, los componentes más fundamentales de la materia, son fundamentales para comprender la estructura del universo y las fuerzas subyacentes que le dan forma. El estudio de estas partículas, a través de marcos teóricos como el Modelo Estándar y experimentos innovadores, continúa desafiando y ampliando nuestro conocimiento del cosmos.
