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Uno de los mayores logros de la historia no solo de la física, sino de la ciencia en general, ha sido el de desarrollar el modelo estándar de partículas, la piedra angular de la mecánica cuántica. Y es que más allá del átomo, se esconde un mundo tan pequeño que las leyes de la relatividad general dejan de funcionar y que juega con sus propias reglas del juego.
En la segunda mitad del siglo XX, este modelo estándar de la física de partículas termina de desarrollarse, obteniendo así un marco teórico donde tenemos todas las partículas subatómicas que explican tanto la naturaleza elemental de la materia (las verdaderas unidades indivisibles) como el origen fundamental tres de las cuatro fuerzas: electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte. La cuarta fuerza, la gravedad, por ahora, no encaja.
Sea como sea, este modelo estándar nos ha permitido comprender más la naturaleza del mundo cuántico, un mundo que parecía totalmente inconexo con el nuestro pero con el que debemos estar conectados. Todo son partículas. Protones, neutrones, electrones, fotones, quarks… Hay muchas partículas distintas dentro del modelo.
Por ello, ha sido importante dividir estas partículas en dos grupos principales: fermiones y bosones. Y en el artículo de hoy nos sumergiremos en la naturaleza de estos fermiones, las partículas subatómicas que, dividiéndose en quarks y leptones, son las que componen la materia. Veamos cómo se clasifican.
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¿Qué son los fermiones?
Los fermiones son las partículas subatómicas elementales que componen la materia. Es decir, todo aquello que vemos en el Universo tiene, en estos fermiones, sus ladrillos fundamentales. Desde un cuerpo humano hasta una estrella, todo aquello que entendemos como materia es, en esencia, fermiones asociándose entre ellos. La materia, pues, nace de la combinación de fermiones.
Pero, ¿qué es una partícula subatómica? A grandes rasgos, por partícula subatómica entendemos todas aquellas unidades indivisibles que conforman los átomos de los elementos químicos o que permiten las interacciones fundamentales entre dichas partículas, originando así las cuatro fuerzas: electromagnetismo, gravedad, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte.
Y es precisamente en función de si conforman la materia o de si hacen posible la existencia de las interacciones que el modelo estándar divide estas partículas subatómicas en fermiones o bosones, respectivamente. Los bosones (fotón, bosón de Higgs, gluón, bosón Z y bosón W, además del hipotético gravitón), pues, no componen la materia pero sí hacen que existan las cuatro fuerzas fundamentales.
Sea como sea, las partículas subatómicas constituyen el (por ahora) nivel más bajo de organización de la materia. Son indivisibles. No puedes descomponerlas en nada más pequeño. Tienen tamaños de 0’000000000000000000001 metros y deben descubrirse en los aceleradores de partículas, haciendo chocar átomos entre sí a velocidades cercanas a la de la luz (300.000 km/s) a la espera de que se descompongan en las partículas subatómicas elementales.
Gracias a estas máquinas, hemos descubierto decenas de partículas subatómicas, pero podrían faltar cientos por descubrir. Aun así, el modelo estándar da respuesta ya a muchas incógnitas y, sobre todo, los fermiones nos permiten entender cuál es el origen de la materia.
- Para saber más: “¿Qué es un acelerador de partículas?”
¿Cómo se clasifican los fermiones?
Como hemos dicho, los fermiones son las partículas subatómicas que no son responsables de las interacciones fundamentales pero que sí constituyen los bloques indivisibles de la materia. Y estos fermiones se dividen en dos familias: quarks y leptones. Veamos qué partículas conforman cada una de estos grupos.
1. Quarks
Los quarks son los fermiones elementales masivos que interactúan fuertemente entre ellos dando lugar a los protones y a los neutrones, es decir, a la materia del núcleo del átomo, o a determinadas partículas subatómicas llamadas neutrones. Como ya hemos comentado, los quarks son, junto a los leptones, los principales constituyentes de la materia bariónica, aquella que percibimos y con la que podemos interactuar.
Los quarks son las únicas partículas subatómicas elementales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales y no se encuentran libres, sino confinados en grupos, a través de un proceso físico conocido como confinamiento de color. Sea como sea, los quarks se dividen, a su vez, en seis tipos. Veámoslos.
1.1. Up Quark
Los Up quarks son los quarks con un espín de +½. Pertenece a la denominada primera generación de quarks y tiene una carga eléctrica igual a +⅔ de la carga elemental. Cumple el principio de exclusión de Pauli; es decir, no puede haber, dentro del mismo sistema cuántico, dos Up quarks con todos sus números cuánticos idénticos. Los protones y los neutrones están compuestos de tres quarks. Los protones, de dos Up quarks (y uno Down) y los neutrones, de un Up (y dos Down).
1.2. Down Quark
Los Down quarks son los quarks con un espín de -½. Pertenece también a la primera generación de quarks y tiene una carga eléctrica igual a -⅓ de la carga elemental. Cumple con el principio de exclusión de Pauli. Como ya hemos comentado, los protones están formados por un Down quark (y dos Up) y los neutrones, por dos Down (y uno Up).
1.3. Quark encantado
El quark encantado es el quark que tiene un espín de +1. Pertenece a la segunda generación de quarks y tiene una carga eléctrica igual a +⅔ de la carga elemental. Cumple con el principio de exclusión de Pauli. Tiene una vida media corta y parecen ser responsables de la formación de hadrones (las únicas partículas subatómicas compuestas al margen de protones y neutrones) que también se desintegran rápidamente.
1.4. Quark extraño
El quark extraño es el quark que tiene un espín de -1. Pertenece a la segunda generación de quarks y tiene una carga eléctrica igual a -⅓ de la carga elemental. Cumple con el principio de exclusión de Pauli. De igual modo que el encantado, el quark extraño es una de las piezas elementales de los hadrones, dotando a estos de un número cuántico conocido como “extrañez”, que queda definido como el número de antiquarks extraños menos el número de quarks extraños que lo constituyen. Tienen una vida media extrañamente superior a la esperada. De ahí el nombre.
1.5. Quark cima
El quark cima es el quark que tiene un espín de +1. Pertenece a la tercera generación de quarks y tiene una carga eléctrica igual a +⅔ de la carga elemental. Cumple con el principio de exclusión de Pauli. Es el quark más masivo de todos y, debido a esta inmensa (relativamente hablando) masa, es una partícula muy inestable que se desintegra en menos de un yoctosegundo, que es la cuatrillonésima parte de un segundo. Fue el último quark en ser descubierto (en 1995) y no tiene tiempo de formar hadrones, pero sí que los dota de un número cuántico conocido como “superioridad”.
1.6. Quark fondo
El quark fondo es el quark que tiene un espín de -1. Pertenece a la tercera generación de quarks y tiene una carga eléctrica igual a -⅓ de la carga elemental. Cumple con el principio de exclusión de Pauli. Es el segundo quark más masivo y determinados hadrones, como los mesones B, están formados por estos quarks fondo, que dotan a los hadrones de un número cuántico llamado “inferioridad”.
2. Leptones
Abandonamos el mundo de los quarks y nos centraremos ahora en los leptones, el otro gran grupo de fermiones. Estos leptones son, a grandes rasgos, partículas fermiónicas de masa pequeña y sin color (un tipo de simetría de gauge propia de los quarks pero no de los leptones) que se dividen, de nuevo, en seis grupos principales. Veámoslos.
2.1. Electrón
Un electrón es un tipo de leptón con una carga eléctrica negativa, de -1, y una masa unas 2.000 veces inferior a la de los protones. Pertenece a la primera generación de leptones y, como sabemos, orbita alrededor del núcleo de los átomos debido a la atracción electromagnética con el mismo (que tiene carga positiva), por lo que son parte fundamental de los átomos.
2.2. Muón
Un muón es un tipo de leptón con una carga eléctrica negativa, de -1, igual que el electrón, pero una masa unas 200 veces mayor que estos electrones. Pertenece a la segunda generación de leptones y es una partícula subatómica inestable, pero con una vida media ligeramente más alta de lo normal: 2,2 microsegundos. Los muones se producen por desintegración radioactiva y, en 2021, se demostró que su comportamiento magnético no encajaba con el modelo estándar, algo que abrió la puerta a una nueva fuerza en el Universo o a la existencia de partículas subatómicas que todavía no conocemos.
2.3. Tau
Un tau es un tipo de leptón con una carga eléctrica negativa, de -1, igual que el electrón, pero una masa casi 4.000 veces mayor que estos electrones, por lo que es casi el doble de masivo que los protones. Tiene una vida media muy corta, de unos 33 picómetros (la billonésima parte de una segundo), y es el único leptón con una masa suficientemente grande como para desintegrarse, en el 64% de las ocasiones, en forma de hadrones.
2.4. Electrón neutrino
Entramos en el misterioso mundo de los neutrinos, unas partículas subatómicas sin carga eléctrica y una masa tan increíblemente pequeña que, simplemente, se considera nula (aunque no lo es). Y esta masa tan pequeña hace que viajen prácticamente a la velocidad de la luz. Su detección es tan complicada que son conocidos como “partículas fantasma”. Aun así, cada segundo, unos 68 millones de millones de neutrinos están atravesando cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo, pero no lo notamos porque no chocan contra nada.
El electrón neutrino o neutrino eléctrico es el menos masivo de todos los neutrinos y se trata de un tipo de leptón con una masa casi un millón de veces inferior a la del electrón. Solo interactúa a través de la fuerza nuclear débil, cosa que, junto a la carencia de carga eléctrica y a la masa casi nula, hace casi imposible su detección. Fueron descubiertos, sin embargo, en 1956.
2.5. Muón neutrino
El muón neutrino es un tipo de leptón con una masa superior a la del neutrino electrónico, siendo la mitad de masivo que un electrón. Al no tener carga eléctrica y solo interactuar a través de la fuerza nuclear débil, son también muy difíciles de detectar. En septiembre de 2011, un experimento del CERN pareció indicar la existencia de unos muones neutrinos desplazándose a velocidades superiores a la de la luz, algo que haría cambiar nuestra concepción del Universo. Al final, sin embargo, se demostró que había sido debido a un error en el experimento.
2.6. Tau neutrino
El tau neutrino es un tipo de leptón que constituye el neutrino más masivo de todos. De hecho, tiene una masa 30 veces superior a la del electrón. Sigue siendo de muy difícil detección y, siendo descubierto en el año 2000, es la segunda partícula subatómica de descubrimiento más reciente.
