Guía de partículas para frikis

Nos encontramos rodeados de términos científicos por todos sitios. Partículas y más partículas que aparecen una y otra vez en los artículos de la prensa tecno-científica. Tantas, que llega un momento que nos ahogamos entre la jauría de nombrecitos técnicos y perdemos las referencias. Aquí traemos una forma sencilla y rápida de conocerlas a todas sin morir en el intento. La Guía, con mayúsculas, te proporcionará información breve y concreta pero más que suficiente para entender de qué estamos hablando.

Los físicos nos tienen saturados de partículas que danzan una y otra vez en multitud de artículos que leemos sin llegar a comprender demasiado bien las implicaciones de cada elemento dentro de la ecuación. La mayoría conocemos los conceptos básicos de las partículas atómicas: los protones, los neutrones y los electrones. Pero cuando la cosa profundiza, entonces empieza el desfile de leptones, fermiones, bosones y toda esa caterva de sustantivos acabados en “ones”. Algunas veces, de tanto nombrarlo en los artículos mas llamativos, como por ejemplo, los relacionados con el Acelerador de Partículas más famoso de la historia (LCH), se convierten en estrellas del mundo de la física popular. ¿Quién no conoce el célebre Bosón de Higgs? Si Hollywood tuviera vela en este entierro, seguro que le habría otorgado ya algún Oscar a la partícula con el mejor guión de misterio. Vamos a poner un poco de orden en toda esta sopa de letras de la física. Atentos, que comienza el viaje a través de la física más fascinante.

Esquema general de partículas

Para situarnos tenemos que hablar primero del conjunto de partículas  y su organización con respecto a las demás. Así que para empezar, nada mejor que un sencillo y breve esquema que representa la relación general entre los grupos de partículas. La física divide en tres grupos fundamentales este complejo mundo subatómico. Encontramos 3 grupos principales que son las partículas fundamentales, las partículas compuestas y las compañeras supersimétricas. Dentro de las fundamentales aparecen los fermiones y los bosones de gauge. Y los fermiones, a su vez, agrupan a los quarks y a los leptones. Las partículas compuestas se dividen en mesones y bariones. Y finalmente, las compañeras supersimétricas, que no contienen divisiones generales de partículas. Cada grupo posee unas determinadas características que los hace diferentes al resto. Suelen ser conceptos de física cuántica, difíciles de asimilar por el común de los mortales, pero trataremos de darle un aire más dinámico e inteligible para que podamos hacernos de inmediato con sus propiedades y peculiaridades.

PARTICULAS FUNDAMENTALES

1. Fermiones

Es uno de los dos tipos básicos de partículas que existen en la naturaleza. Se definen por tener un spin semi-entero. Recordemos que el spin (giro) es una propiedad física de las partículas subatómicas intrínseca a la propia partícula, como pueden ser la carga o la masa. Se la bautizó así en honor del célebre científico Enrico Fermi que desarrolló el primer reactor nuclear y cuya contribución a la física cuántica fue decisiva. A este grupo pertenecen partículas tan importantes y conocidas como el electrón y el neutrino, escurridizo donde los haya. Los fermiones forman la materia ordinaria y a ellos debe prácticamente toda su masa, por eso se consideran fundamentales. Digamos que los fermiones son los “ladrillos” de los que está hecha la existencia.

a) Quarks

Representan los constituyentes fundamentales de la materia (junto a los leptones) y son las partículas más pequeñas que el hombre ha podido identificar. Estas diminutas variedades de partículas se combinan para formar los conocidos protones y neutrones, básicos en la arquitectura atómica de la materia. Tienen un spin de ½  y son las únicas que pueden interactuar con las 4 fuerzas conocidas del universo (gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil).  Las variantes fueron nombradas de forma arbitraria para que se recordaran con facilidad. Y la verdad, que poseen unas denominaciones la mar de peculiares: arriba, abajo, encanto, cima, extraño, fondo…Las variedades extraña, encanto, fondo y cima son muy inestables y se desintegraron en una fracción de segundo después del Big Bang, pero los físicos de partículas pueden recrearlos y estudiarlos. Las variedades arriba y abajo sí que se mantienen, y se distinguen entre otras cosas por su carga eléctrica. En la naturaleza no se encuentran quarks aislados sino formando otras partículas llamadas hadrones, formadas por 2 o 3 quarks, conocidas como mesones o bariones, respectivamente.

b) Leptones

La palabra “leptón” (del griego leptos) fue usada por primera vez por el físico León Rosenfeld en 1948 y designa una partícula fundamental del grupo de los fermiones que tiene un spin de -1/2 y que no experimenta interacción nuclear fuerte. Son parte básica en la existencia de la materia, junto con los quarks. A este grupo pertenece el muy conocido electrón, ese que nos sacude fuerte cuando metemos los dedos en un enchufe. También se agrupan aquí los escurridizos neutrinos, partículas dificilísimas de encontrar porque debido a sus características, atraviesan sin esfuerzo cualquier materia que se le ponga por delante para atraparlos. Se están realizando carísimos experimentos para cazar a estos huidizos representantes de los leptones. Se usan detectores especiales sumergidos en enormes piscinas enterradas a kilómetros de profundidad en la tierra para poder encontrarlos y separarlos de otras partículas, pues estos escapistas apenas interactúan con el resto de materia. Sin embargo, y a pesar de esta vacuidad, forman parte de la base de la existencia.

2. Bosones de gauge

Los bosones actúan como portadores de una interacción fundamental de la naturaleza. Es decir, que si antes apuntábamos que los fermiones son los ladrillos, los bosones corresponden al cemento que une dichos ladrillos. Entre sus representantes mas conocidos se encuentran los fotones (luz) y el archiconocido Bosón de Higgs, buscado con ferviente anhelo por el LCH, la llamada Máquina de Dios que tantas noticias ha generado en todo el mundo. Por ahora no ha sido confirmada la existencia de esta partícula, que ha sido predicha por la teoría estándar, pero si el LCH consigue detectarla, entonces se habrán confirmado muchas cosas importantes para la física. El gravitón también mantiene a los científicos con gran expectación por ver si por fin pueden comprender algo más de la fuerza más misteriosa del universo: la gravedad.

PARTÍCULAS COMPUESTAS

3. Mesones

En física de partículas, un mesón (del griego antiguo μεσος (mesos) = medio) es un bosón que responde a la interacción fuerte, esto es, un hadrón con un espín entero. En el Modelo estándar, los mesones son partículas compuestas de un número par de quarks y antiquarks. Se cree que todos los mesones conocidos consisten en un par quark-antiquark – los así llamados quarks de valencia – más un “mar” de pares quark-antiquark y gluones virtuales. La existencia de los mesones fue propuesta por el físico nuclear japonés Yukawa Hideki en 1935. Su idea era que existían una serie de partículas más pesadas que el electrón que eran responsables de la interacción nuclear fuerte. Inicialmente se pensó que estas partículas eran los muones (incorrectamente llamados mesones), pero posteriormente se comprobó que estos pertenecían al grupo de los leptones. Los mesones postulados por Yukawa fueron descubiertos en 1947 por Powell y denominados mesones o piones. El pión fue el primer mesón verdadero en ser descubierto. Dentro de los mesones, no encontramos ninguno especialmente conocido por el público profano. Suelen ser partículas muy complejas que no trascienden a los medios de comunicación y que se hallan sujetas a investigaciones muy especializadas.

4. Bariones

Los bariones (del griego βαρύς, barys, “pesado”) son una familia de partículas subatómicas formadas por tres quarks. El nombre de barión se debe a que se creyó, cuando fue descubierto, que poseía una masa mayor que otras partículas. Existen gran número de bariones pero los más conocidos, sin duda, son el protón y el neutrón. Las grandes estrellas atómicas que todos hemos aprendido en la educación general básica. Los bariones son fermiones afectados por la interacción nuclear fuerte, por lo que están sometidos al principio de exclusión de Pauli y pueden ser descritos mediante la estadística de Fermi-Dirac. Al contrario que los bosones, que no satisfacen este principio de exclusión. Los bariones pertenecen, junto con los mesones, a la familia de partículas llamadas hadrones, es decir, aquellas compuestas por quarks. Se diferencian de los mesones por estar compuestos por tres quarks, mientras que los últimos están compuestos por un quark y un antiquark. Los Hadrones nos suenan mucho gracias al mediático Gran Colisionador de Hadrones, que popularizó con su propio nombre a este grupo de partículas.

COMPAÑERAS SUPERSIMÉTRICAS

En la física de partículas, la supersimetría es una simetría hipotética propuesta que relacionaría las propiedades de los bosones y los fermiones. Aunque todavía no se ha verificado experimentalmente que la supersimetría sea una simetría de la naturaleza, es parte fundamental de muchos modelos teóricos, incluyendo la teoría de supercuerdas. Según el modelo estándar de la física de partículas, la materia está formada por fermiones (a su vez divididos en quarks y leptones), mientras que las partículas que transmiten las dos interacciones fundamentales de la naturaleza (interacción fuerte e interacción nuclear electrodébil) son bosones. La supersimetría extiende el número de partículas del modelo estándar de forma que a cada partícula le corresponde una compañera supersimétrica denominada súper compañera. Así, cada bosón tiene una súper compañera fermión y viceversa. Las súper compañeras de los fermiones son bosones y reciben nombres que comienzan con la letra s; así, el electrón tiene como súper compañera el selectrón, y los quarks, los squarks.

Las súper compañeras de los fermiones son bosones y reciben nombres que comienzan con la letra s; así, el electrón tiene como súper compañera el selectrón, y los quarks, los squarks. Las súper compañeras de los bosones son fermiones con nombres que terminan en -ino, así la del fotón es el fotino y la del gravitón (si se incluye la gravedad en el modelo), el gravitino. Sin embargo, debido a que dichas compañeras supersimétricas aún no han podido ser creadas en el laboratorio, sus masas deben ser mucho mayores que las de las partículas originales. Esto implica que la supersimetría, de ser cierta, está rota por algún mecanismo. La búsqueda de partículas supersimétricas es otra de las prioridades para el colisionador LHC. La más liviana (y neutra) de las partículas supersimétricas, en caso de existir, es una de las más serias candidatas para explicar la existencia de la materia oscura.

Las ventajas teóricas de la supersimetría son muy importantes. En particular resuelven problemas de estabilidad de muchas teorías ante correcciones cuánticas, además de mejorar considerablemente el acuerdo entre las predicciones de los modelos de unificación y los resultados experimentales. En el caso de ciertas teorías, permiten la incorporación de fermiones en formulaciones que de otra manera no lo aceptarían. Tantas son sus ventajas que aun cuando cerca de 30 años después de su postulación no se ha encontrado prueba de la existencia de estas nuevas partículas, es todavía considerada por una gran parte de la comunidad científica como uno de los más firmes candidatos, sola o como parte de otras teorías, a explicar fenómenos físicos que puedan aparecer más allá de la descripción del Modelo Estándar.

A partir de ahora, cada vez que leas un artículo sobre física o sobre el espacio donde se hable de partículas o de materia oscura o de energías extrañas, sólo tienes que acudir a esta guía que hemos diseñado para tu uso y disfrute personal. No la entierres demasiado porque más pronto que tarde andaremos publicando noticias sobre nuestro querido Gran Colisionador de Hadrones (¿Qué era un hadrón? ¡Rápido, a consultar la guía!) O sobre los misterios de los agujeros negros de donde no escapan ni los fotones (esa guíaaaa).