¿Cuáles son las partículas elementales de la materia?

Representación de un átomo y partículas subatómicas
Representación de un átomo y partículas subatómicas
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Las partículas elementales, también llamadas partículas fundamentales, se definen como partículas subatómicas que no se pueden dividir en subestructuras más pequeñas, es decir, partículas que no están compuestas por otras partículas.

En este sentido, un átomo está formado por fermiones, la familia de partículas elementales con masa cuya combinación da lugar a la materia bariónica o materia ordinaria. En concreto, un átomo estaría formado por dos subtipos de fermiones: leptones y quarks:

  • Electrones: son una partícula elemental de tipo leptón. Orbitan alrededor del núcleo atómico.
  • Neutrones y protones: son partículas subatómicas formadas por combinación de quarks (hadrones). Se aglutinan y forman el núcleo del átomo.

De las partículas subatómicas clásicas a los quarks

En la búsqueda de las partículas que componen la materia, uno de los primeros en ofrecer una teoría atómica con bases científicas fue John Dalton, cuyas ideas quedaron recogidas en los conocidos como postulados de Dalton, publicados en lo primeros años del siglo XIX, entre 1803 y 1807.

Para Dalton, el átomo era la partícula fundamental de la materia, pero a lo largo del siglo XIX, y principalmente a lo largo del siglo XX, se fueron descubriendo las partículas subatómicas. Primero los electrones y luego los protones y los neutrones, desbancado al átomo como partícula fundamental.

Electrones, neutrones y protones se tomaron de nuevo como si fueran las verdaderas partículas elementales, hasta que el descubrimiento de los quarks demostró que protones y neutrones tampoco eran las partículas elementales, sino que se podían descomponer en otras partículas.

  • En 1897 J.J. Thomson descubrió el electrón, hoy considerado una partícula elemental de tipo leptón. Hasta este descubrimiento, el átomo se consideraba una partícula indivisible.
  • En 1905 Albert Einstein descubrió el fotón, hoy considerado un tipo de bosón (partícula sin masa que porta energía o fuera de interacción).
  • En 1977 Ernest Rutherford descubrió el protón y que la mayor parte de la masa de un átomo se concentra en el núcleo.
  • En 1932 James Chadwick descubrió el neutrón.
  • En 1964 Murray Gell Mann propuso la existencia de los quarks, la partícula elemental que forma los neutrones y los protones.

Así, un átomo no se define en la actualidad como la partícula elemental de la materia, sino como la unidad más pequeña de materia bariónica (o materia ordinaria) que presenta propiedades de elemento químico.

Fermiones: las partículas elementales de la materia

Con los datos y experimentos actuales, se han descrito dos grandes tipos de partículas elementales: fermiones y bosones.

Los fermiones son partículas con masa y se consideran las partículas elementales de la materia. Por su parte, los bosones son partículas sin masa que portan las fuerzas elementales: gravedad, fuerza electromagnética y las fuerzas nucleares fuerte y débil.

Los fermiones incluyen otros subtipos de partículas, los leptones y los quarks. Leptones y quarks interaccionan entre sí gracias a las fuerzas de interacción que transportan los bosones y forman las partículas subatómicas: electrones, neutrones y protones.

Los electrones se siguen considerando una partícula elemental en sí mismos, en concreto un tipo de leptón, pues no se ha conseguido dividir en partículas más pequeñas. Neutrones y protones están formados por combinación de tres quarks diferentes cada uno.

En definitiva, leptones y quarks son las partículas elementales de la materia más pequeñas conocidas.

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El conocido como modelo estándar explica toda la materia ordinaria del Universo con estas partículas másicas o fermiones, más 5 tipos de bosones (4 bosones de gauge, que portan las 4 fuerzas elementales, y el bosón de Higgs, que explicaría como los fermiones adquieren masa).

Faltaría por descubrir el gravitón, la partícula hipotética que portaría la gravedad. De descubrirse, las partículas elementales conocidas sumarían un total de 18, incluyendo todos los fermiones y bosones.

Modelo estándar de partículas elementales
Modelo estándar de partículas elementales de la materia bariónica y gravedad

Leptones

Los leptones se definen como fermiones o partículas con masa que no experimentan interacción nuclear fuerte. Existen seis tipos de leptones, tres con carga eléctrica -1 (electrón, muón y tau) y tres sin carga y de mucha menor masa (neutrinos).

  • Electrón: es la única partícula que sigue considerándose fundamental desde que se descubrieron las partículas subatómicas. Tiene carga eléctrica -1 y spin 1/2.
  • Muón: es similar al electrón pero más pesado.
  • Tau: es similar al electrón pero aún más pesado. El muón y el tau son muy inestables; en la naturaleza aparecen durante muy poco tiempo.
  • Electrón neutrino: partícula sin carga y muy poca masa, por lo que es muy difícil de detectar. Pero pueden transportar mucha energía que liberan cuando colisionan con otra partícula y así se pueden detectar de forma indirecta.
  • Muón neutrino: partícula sin carga y poca masa pero mucho más pesado que el electrón neutrino. Se producen en el decaimiento o desintegración de partículas atómicas, por ejemplo en el decaimiento beta.
  • Tau neutrino: sin carga y más pesado que el muón neutrino.

Electrón, muón y tau se denominan “sabores”, y los pares electrón/electrón neutrino, muón/muón neutrino y tau/tau neutrino se denominan dobletes débiles. Los leptones, por tanto, presentan 3 sabores y 3 dobletes de partículas.

Cada doblete de leptones está formado por un leptón con carga eléctrica, por ejemplo el electrón, y un leptón del mismo sabor pero sin carga y mucha menos masa, por ejemplo el electrón neutrino

Además, como cada partícula tiene su antipartícula, cada leptón tiene su antileptón. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón, y la antipartícula del electrón neutrino es el antineutrino electrónico.

Quarks

Son otro grupo de fermiones que, a diferencia de los leptones, experimentan la fuerza nuclear fuerte. Una de las características más peculiares de los quarks es que su carga eléctrica tiene valores no enteros; la carga eléctrica de los quarks es de -1/3 o +2/3, según el tipo de quark.

Los quarks también son las únicas partículas que interaccionan con todos los tipos de interacciones fundamentales: electromagnética, interacción nuclear fuerte, interacción nuclear débil y gravedad.

Los quarks se presentan en seis sabores. 3 quarks tiene carga positiva de +2/3 (u, c y t), y 3 tienen carga negativa de -1/3 (d, s y b).

  • u (up): carga eléctrica positiva de +2/3
  • d (down): carga -1/3
  • c (charm): carga +2/3, como el quark up pero con más masa.
  • s (strange): carga -1/3, como el quark down más pesado.
  • t (top): carga +2/3, como los quarks up y charm pero aún más pesado.
  • b (bottom): cargo -1/3, como los quarks d y s pero aún más pesado.

Al igual que con los leptones, cada tipo de quark tiene su antiquark (antiup, antidown, etc).

Gracias a las interacciones nucleares fuertes, los quarks interaccionan entre sí fuertemente y forman los hadrones, las partículas elementales que forman la materia nuclear. Existen dos tipos de hadrones, los mesones y los bariones.

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Los protones y neutrones de los núcleos atómicos son dos tipos de bariones formados por combinación de quarks up y down. Los demás quarks son inestables en la naturaleza y existen en condiciones muy concretas durante cortos períodos de tiempo.

  • Neutrón: formado por la combinación de tres quarks: 2 quarks d (down) y 1 quark u (up). La suma de las dos cargas -1/3 de los quarks d, más la carga +2/3 del quark u, dan como resultado la carga eléctrica neutra típica del neutrón.
  • Protón: formado por la combinación de tres quarks: 2 quark u más 1 quark d.

Se suele decir que los quarks son las partículas más pequeñas en las que se puede dividir la materia, pero en realidad no podemos conocer el tamaño de las partículas elementales, nuestra tecnología no nos lo permite, pero si podemos medir su masa, aunque en física de partículas la masa se suele entender en términos de energía, pues la materia está formada en última instancia por energía.

En este sentido, los quarks son más pesados que cualquier leptón. La energía de los quarks va desde 4.5 GeV del quark bottom a los 0.003 GeV del quark up, mientras que el electrón tiene una energía mucho menor: 0.000511 GeV (0.511 MeV).

Y el neutrino tiene todavía menos energía, 0.000000001 GeV, y aún menos masa, equivalente a una millonésima parte de la masa del electrón.

Bosones: las partículas portadoras de fuerza

Los bosones son partículas sin masa responsables de las conocidas como fuerzas de interacción fundamentales: fuerza electromagnética, fuerza de la gravedad, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil.

Existen cinco tipo de bosones confirmados y un sexto, el gravitón, aún por confirmar, que se agrupan en tres categorías:

  • Bosones de gauge o bosones vectoriales: gluón (fuerza nuclear fuerte), fotón (fuerza electromagnética), bosón Z y bosón W (fuerza nuclear débil).
  • Bosones escalares: bosón de Higgs (su interacción con los fermiones es la responsable de que los fermiones adquieran masa).
  • Bosones tensores: Gravitón (hipotético, por confirmar)

Resumen

De acuerdo con el modelo estándar de partículas elementales, la materia ordinaria o materia bariónica (en contraposición con la materia oscura) está formada por fermiones (partículas con masa) que interaccionan entre sí a través de los bosones (partículas sin masa).

Los fermiones son las partículas que transportan la masa y los bosones son las partículas que transportan las fuerzas de interacción (gravedad, electromagnetismo, fuerzas nucleares fuertes y débiles). La masa de los fermiones se deberían a la interacción con el bosón de Higgs.

Existen dos tipos de fermiones: leptones y quarks. Los electrones son un tipo de leptón y la combinación de quarks da lugar a los hadrones, entre ellos neutrones y protones. Así, un átomo está formado por fermiones de los dos tipos:

  • Electrones, un tipo de leptón
  • Hadrones (neutrones y protones) formados por quarks

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