Los 8 tipos de partículas subatómicas (y sus características)

El subatómico es el nivel más bajo de organización de la materia. Todo lo que vemos en el Universo surge de la agregación de distintas partículas subatómicas, las cuales conforman los átomos.
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El Universo es algo apasionante y a la vez increíblemente misterioso. Y nos solemos sentir abrumados por su inmensidad, el increíble número de galaxias o las distancias entre estrellas. Pero lo cierto es que, conforme avanza nuestro conocimiento en física cuántica, lo verdaderamente asombroso es lo pequeña que puede llegar a ser la naturaleza de las cosas.

Durante mucho tiempo creímos que los átomos eran las unidades más pequeñas de todo, pues se consideran indivisibles. Y no es de extrañar, pues un átomo es tan increíblemente pequeño que, en un milímetro, podrían alinearse unos 10 millones de ellos. Por si esto no sorprende, pensemos que un grano de arena está compuesto por más de 2 millones de millones de átomos.

Pero la física ha demostrado que la cosa no termina aquí. Imagina que este minúsculo átomo lo conviertes en algo del tamaño de un estadio de fútbol. Pues bien, en él habría unas partículas que, en comparación con este estadio, serían algo del tamaño de una cabeza de alfiler.

Estamos hablando de las partículas subatómicas, unas unidades de materia tan increíblemente pequeñas que las leyes de la física tradicionales no se cumplen en ellas, aunque se juntan para formar los átomos. En el artículo de hoy, además de intentar entender su naturaleza, veremos los principales tipos que existen.

¿Qué es una partícula subatómica?

Por partícula subatómica entendemos todas aquellas unidades indivisibles de materia que conforman los átomos de los elementos o que se encuentran libres permitiendo la interacción entre ellos. Todas ellas constituyen el nivel subatómico de la materia, que es el nivel de organización más bajo que existe.

Esto significa que, por ahora, no se ha descubierto nada más pequeño. Es decir, si bien siempre podemos tirar hacia atrás (nosotros estamos formados por tejidos, que están formados por células, las cuales están compuestas de moléculas, las cuales son agregaciones de átomos, que, a su vez, surgen de la unión de partículas subatómicas) para encontrar algo, con las partículas subatómicas esto no sucede.

Por simple deducción, vemos, pues, que absolutamente todo lo que hay en el Universo, desde nosotros mismos hasta las estrellas, pasando por las rocas, los planetas, las galaxias, etc, nace de la unión de distintas partículas subatómicas.

Como venimos diciendo, un átomo ya es algo increíblemente pequeño, pues un átomo estándar (dependiendo del elemento en cuestión será más o menos grande), tiene un tamaño de unos 0’32 nanómetros. Algo realmente minúsculo. Pero es que las partículas subatómicas tienen tamaños de 0’000000000000000000001 metros. Nuestro cerebro, simplemente, es incapaz de imaginarlo. Recordemos la analogía del estadio.

Este “mundo” es tan extremadamente pequeño que las leyes de la física que todos conocemos no se cumplen. De ahí que haya sido necesario el desarrollo de la física cuántica, la cual estudia los procesos que ocurren en este nivel subatómico de la materia.

Pese a ello, es bien sabido que la clave para entender el origen del Universo y todo lo que sucede en los otros niveles de la materia está en comprender la naturaleza de las partículas subatómicas. Y el gran objetivo de los físicos es encontrar una teoría que una el mundo cuántico con el de la relatividad general (todo aquello más allá del mundo atómico), la conocida como “Teoría del Todo”. Pero por ahora, a pesar de que están avanzando y haciendo progresos (la Teoría de cuerdas es una de las que está ganando más fuerza), los dos mundos están inconexos.

Átomo estructura
Estructura simplificada de un átomo. Vemos que los protones y neutrones están compuestos de otras partículas.

¿Qué partículas subatómicas conocemos?

Es importante decir “conocemos” y no “existen” porque los físicos continúan descubriendo nuevas a día de hoy. Las partículas subatómicas las descubrimos gracias a los aceleradores de partículas, que hacen chocar átomos entre sí a velocidades casi iguales a la de la luz (300.000 kilómetros por segundo) a la espera de que se descompongan en estas partículas subatómicas.

Gracias a ellos, hemos descubierto decenas de partículas subatómicas, pero se estima que nos podrían faltar cientos por descubrir. Las tradicionales son el protón, el neutrón y el electrón, pero conforme hemos ido avanzando, hemos descubierto que estas están formadas, a su vez, por otras partículas subatómicas más pequeñas.

Por ello, la clasificación se hace de acuerdo a si son partículas subatómicas compuestas (formadas por la unión de otras partículas subatómicas) o elementales (no están formadas por la unión de nada). Veámoslas.

Partículas subatómicas compuestas

Como hemos dicho, las partículas compuestas son las entidades subatómicas que fueron descubiertas primero. Y durante mucho tiempo (no fue hasta mediados del siglo XX que se teorizó la existencia de otras) se creyó que eran las únicas. Sea como sea, estas partículas subatómicas están formadas por la unión de las partículas elementales que veremos en el siguiente punto.

1. Protón

Como bien sabemos, un átomo está formado por un núcleo de protones y neutrones y una órbita de electrones que giran a su alrededor. El protón es una partícula subatómica con carga eléctrica positiva muchísimo más grande que el electrón. De hecho, tiene una masa 2.000 veces mayor.

Cabe destacar que la cantidad de protones es lo que determina el elemento químico. Así, un átomo de hidrógeno es aquel que tiene siempre un protón. Uno de oxígeno, ocho. Uno de hierro, 26. Y así sucesivamente.

Está unido por unas fuerzas increíblemente grandes con los neutrones. De hecho, cuando se rompen, se libera una energía millones de veces mayor a la de la combustión de la gasolina. Estamos hablando de la energía nuclear, cuya base es separar los protones de los neutrones.

2. Neutrón

El neutrón es la partícula subatómica que, junto a los protones, conforma el núcleo de un átomo. Tiene una masa muy similar a la del protón, aunque en este caso no tiene carga eléctrica. El número de neutrones en el núcleo no determina (como sí lo hacían los protones) el elemento, pero sí que determina el isótopo, que es una variante más o menos estable de un elemento que ha perdido o ganado neutrones.

La energía nuclear se basa en bombardear con neutrones a los átomos de plutonio (o uranio) para que su núcleo se rompa y se libere la energía, tal y como hemos explicado antes.

3. Hadrón

El hadrón es una partícula subatómica compuesta de quarks, unas partículas elementales que veremos más adelante. Para no entrar en terrenos demasiado complejos, quedémonos con la idea de que estas partículas mantienen los quarks unidos gracias a una interacción nuclear muy fuerte.

El Gran Colisionador de Hadrones, inaugurado en el año 2008 cerca de Ginebra, es el acelerador de partículas más grande y, de hecho, la máquina más grande construida jamás por el ser humano. En él, se hacen colisionar hadrones a velocidades cercanas a la de la luz, a la espera de detectar partículas subatómicas que expliquen las leyes del Universo. Gracias a él se confirmó la existencia del famoso Bosón de Higgs, el cual veremos más adelante.

Gran colisionador
El Gran Colisionador de Hadrones tiene una circunferencia de 27 km.

Partículas subatómicas elementales

Las partículas elementales son aquellas que no se forman por la unión de varias partículas subatómicas. Son lo que tradicionalmente conocemos simplemente como “partículas subatómicas”. Veámoslas.

4. Electrón

El electrón ya es una partícula subatómica como tal, pues esta puede existir independientemente del átomo y, además, no está formado por la unión de otras partículas. Se trata de una partícula 2.000 veces más pequeña que un protón y tiene carga eléctrica negativa. De hecho, es la unidad cargada eléctricamente más pequeña de la naturaleza.

Está separado del núcleo pero orbita a su alrededor debido a la atracción eléctrica con el núcleo (que tiene carga positiva), por lo que son imprescindibles para establecer enlaces químicos con otros átomos.

Una de las cosas por las que decimos que, a este nivel, las cosas no funcionan como en nuestro “mundo” es porque los electrones muestran un comportamiento dual. Si los observamos, vemos que se comportan como una onda y como una partícula a la vez. Esto, que no tiene sentido alguno desde nuestra perspectiva, está siendo estudiado por la física cuántica.

Cabe destacar que el electrón es un tipo de leptón, que es una familia de partículas subatómicas entre las que se encuentra este electrón pero también las partículas conocidas como muon (similar al electrón pero 200 veces mayor) y tau (el doble de grande que un protón pero con una vida de apenas la trillónesima parte de un segundo).

5. Quark

Los quarks son los constituyentes de los protones y de los neutrones. A día de hoy, se conocen 6 partículas subatómicas de este tipo, pero ninguna de ellas parece existir independientemente fuera del átomo. Es decir, los quarks siempre se encuentran formando los protones y los neutrones.

Estas dos partículas subatómicas, pues, existen en función del tipo de quark que la constituya. En otras palabras, que se forme un elemento químico u otro depende de cómo se organicen estos 6 tipos de quarks. Su existencia se demostró en los años 60.

6. Bosón

Un bosón es una partícula subatómica que explica la naturaleza de todas las interacciones fundamentales que existen en el Universo, excepto la gravedad. Son unas partículas que, de algún modo, transmiten las fuerzas de interacción entre el resto de partículas. Son partículas portadoras de las fuerzas que mantienen unidos los protones y los neutrones, la fuerza electromagnética (que une los electrones al núcleo para que orbiten) y las radiaciones.

Los fotones, que son las partículas de la luz, son un tipo de bosones. El bosón de Higgs es un tipo de partícula subatómica cuya existencia se demostró en el año 2012 y que permitió encontrar, por fin, la partícula elemental que daba lugar a la masa de todas las otras partículas. Esto hizo que, por ahora, lo único que nos quede por encontrar es la partícula responsable de las interacciones de gravedad.

7. Neutrino

El neutrino es una partícula subatómica sin carga eléctrica y una masa tan increíblemente pequeña que se considera nula, lo que hace que sea increíblemente difícil de detectar, aunque se consiguió en los años 50. Cada segundo, 68 millones de millones de neutrinos atraviesan cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo y de la Tierra.

Esto significa que los neutrinos atraviesan materia (incluso un muro de hormigón) sin chocar con nada, como la luz que pasa por un cristal. Esta masa tan pequeña (antes se creía que eran partículas sin masa, pero hoy sabemos que esto no es así) hace que puedan viajar prácticamente a la velocidad de la luz.

Se cree que los neutrinos se forman en las reacciones nucleares del núcleo de las estrellas y, por lo difícil que es su detección, son conocidos como “las partículas fantasma”.

Neutrino detector
Japón ha construido una increíble instalación para detectar neutrinos. Está totalmente aislada de cualquier otra radiación cósmica, para intentar que solo puedan entrar estas partículas.

8. Gravitón

Como venimos diciendo, la gravedad es la única fuerza del Universo que, por ahora, no puede explicarse desde la física cuántica. La masa, la fuerza nuclear, el electromagnetismo… Todo ya ha sido comprendido mediante partículas que transmiten estas fuerzas, como es el caso del Bosón de Higgs, responsable de la masa de la materia.

Pero la gravedad sigue siendo la gran incógnita. ¿Qué partícula transmite la atracción gravitatoria entre galaxias separadas por millones de años luz? Entre todos los objetos, desde los planetas hasta las estrellas, pasando por los agujeros negros o las galaxias (y, en general, todos los cuerpos con masa, incluidos nosotros), debe haber algo que transmita la gravedad.

Por ello, los físicos cuánticos van en búsqueda de lo que ya han bautizado como gravitón, una partícula subatómica que explique el fenómeno de la gravedad igual que el Bosón de Higgs, cuya existencia se propuso en los años 60 pero no se confirmó hasta el 2012, explicó la gravedad. De todos modos, la existencia de este hipotético gravitón no se ha confirmado. Cuando se haga, estaremos mucho más cerca de conseguir la unión entre la física cuántica y la relatividad general.

Referencias bibliográficas

  • Wu, E. (2015) “Subatomic Particle Structures and Unified Field Theory Based on Yangton and Yington Hypothetical Theory”. American Journal of Modern Physics.
  • Yee, J., Gardi, L. (2020) “The Physics of Subatomic Particles and their Behavior Modeled with Classical Laws”. Energy Wave Theory.
  • Yee, J. (2018) “The Periodic Table of Subatomic Particles”. Energy Wave Theory.
  • Javadi, H. (2019) “What is the Universe made of? And how it works? From the point of view of CPH theory”. The General Science Journal.
TÓPICOS
Física
Pol Bertran Prieto

Pol Bertran Prieto

Microbiólogo y divulgador

Pol Bertran (Barcelona, 1996) es Graduado en Microbiología por la Universidad Autónoma de Barcelona. Máster en Comunicación Especializada con mención en Comunicación Científica por la Universidad de Barcelona. Apasionado por la divulgación de la salud y la medicina y aficionado del deporte y el cine.