Física/Física avanzada/Física de partículas

La física de partículas es la rama de la física que estudia los componentes elementales de la materia y las interacciones entre ellos.[1]

Las partículas fundamentales se subdividen en bosones (partículas de espín entero como por ejemplo 0, 1, 2...), que son las responsables de transmitir las fuerzas fundamentales de la naturaleza, y fermiones (partículas de espín semientero como por ejemplo 1/2 ó 3/2).

Se conoce a esta rama también como física de altas energías debido a que muchas de las partículas se las puede ver solo en grandes colisiones provocadas en los aceleradores de partículas.[2]

Particulas elementales

Los físicos de partículas se han esforzado desde un principio por clasificar las partículas conocidas y por describir toda la materia y sus interacciones. A lo largo de la historia de la física han existido muchas partículas que en su momento se han definido como indivisibles, tales como los protones y neutrones, que más adelante se ha demostrado que no lo son. Después de diferentes teorías atómicas y nucleares, en la actualidad se usa el llamado modelo estándar para describir la materia que constituye el universo y sus interacciones.

De acuerdo al modelo estándar existen seis tipos de quarks, seis tipos de leptones y cuatro tipos de bosones. Estas partículas están divididas en dos grandes categorías por el principio de exclusión de Pauli: las que no están sujetas a este principio son los bosones y los que sí lo están se las llama fermiones.

Bosones

Los bosones son partículas que no cumplen el principio de exclusión de Pauli, por lo que dos partículas pueden ocupar el mismo estado cuántico. A temperaturas muy bajas tienden a ocupar el nivel energético más bajo, ocupando todas las partículas el mismo estado cuántico.[5] En 1924, Satyendra Nath Bose y Albert Einstein postularon un modelo de estadística, conocida ahora como estadística de Bose-Einstein, para moléculas a temperaturas muy cercanas al cero absoluto; ésta misma estadística resulta que puede aplicarse también a este tipo de partículas.[6]

Según el modelo estándar, los bosones son cuatro:[7]

Fotón simbolo: Bosón simbolo: W± Bosón simbolo: Z Gluón simbolo: g

Las teorías matemáticas que estudian los fenómenos de éstas partículas son en el caso de la interacción fuerte, de los gluones, la cromodinámica cuántica y en el caso de la interacción electrodébil, de fotones y bosones W y Z, la electrodinámica cuántica.

Fermiones

Los fermiones son partículas con espín, o momento angular intrínseco, fraccionario y que sí están sujetos al principio de exclusión de Pauli, o sea que dos partículas no pueden estar en un mismo estado cuántico al mismo momento. Su distribución está regida por la estadística de Fermi-Dirac, de ahí su nombre.[8]

Los fermiones son básicamente partículas de materia, pero a diferencia de los bosones, no todos los fermiones son partículas elementales. El caso más claro es el de los protones y neutrones; éstas partículas son fermiones pero están compuestos de quarks que, en nuestro nivel actual de conocimientos, si se consideran como elementales.

Los fermiones se dividen en dos grupos: los quarks y los leptones. Esta diferencia se aplica debido a que los leptones pueden existir aislados, a diferencia de los quarks que se encuentran siempre en presencia de otros quarks.[9] Los grupos de quarks no pueden tener carga de color debido a que los gluones que los unen poseen carga de color. Las propiedades básicas de éstas partículas se las encuentra aquí:[7]

Leptón

Electrón simbolo: e- Muón simbolo: m- Tauón simbolo: t-

Quark

up simbolo: u charm simbolo: c top simbolo: t down simbolo: d strange simbolo: s bottom simbolo: b

Las partículas de la tabla solo tienen carga débil si son levógiras o, para las antipartículas, si son dextrógiras. Las partículas se agrupan en generaciones. Existen tres generaciones: la primera está compuesta por el electrón, su neutrino y los quarks up y down. La materia ordinaria está compuesta por partículas de esta primera generación. Las partículas de otras generaciones se desintegran en partículas de las generaciones inferiores.