El origen de las partículas

Durante los años 30, el descubrimiento de nuevas partículas subatómicas echó por tierra la idea de que el protón el neutrón y el electrón eran las únicas partículas fundamentales el descubrimiento del positrón en 1932 y del muón en 1937 fue el antesala de lo que sería un verdadero colapso de la percepción que tenía los científicos de inicios del siglo XX de cómo era la física subatómica.

Pese a que el modelo de Yukawa que vimos anteriormente, en el cual los piones eran los mediadores de la fuerza nuclear fuerte que mantenía unidos a protones y neutrones y por ender todos los átomos era bastante consistente en explicar porque se mantenía unidos todos los átomos habían dos partículas que de momento no encajaban en ninguna teoría el muón y los kaones sin embargo a muy poco andar comenzaron a descubrirse infinidad de otras partículas subatómicas ya a fines de los años 50 inicio de los años 60 se contabilizaban por decenas el número de partículas subatómicas siendo en aquellos años imposibles agrupar de una manera más o menos sencilla y consistente. Todo este enorme conjunto de partículas, piones, kaones, partículas delta, partículas lambda, etcétera, etcétera en particular fue así como en 1964 los físicos Murray Gel-mann y George Zweig propusieron de que a lo mejor esta infinidad de partículas subatómicas que se estaban observando en realidad no eran partículas fundamentales sino que eran una combinación de partículas aún más pequeñas partículas que se llamaron quarks entonces ahora el núcleo atómico ya no estaba constituido por protones y neutrones cuya interacción nuclear fuerte mediaba a través de los piones sino que los protones los neutrones y los piones eran partículas compuestas constituidas a su vez por partículas más pequeñas conocidas como quarks estos primeros quarks que se propusieron eran tres uno se llamó up down y strange, strange porque era el quark que menos se estaba observando en aquel entonces en este nuevo esquema propuesto los protones ya no eran partículas fundamentales sino que estaban compuestos por dos quarks de tipo u y un quark tipo d los electrones a su vez también estaban compuestos por tres tipos de quarks un quark u y dos quark d y los piones estaban compuestos por alguna combinación de con un u más un quark d por ejemplo el pión positivo y más estaba compuesto por un quark u de un cuarto antide el píón negativo era un quark d y un anticuerco u y el pión cero, que es un pión neutral era una combinación de u vara o de barra en este caso la barra nos indica que es un antiquark entonces cuando uno dice u/ dice antiquark sin embargo los mismos avances de la física experimental durante los años 60 hicieron necesaria la formulación de quarks quedando a mediados de los años 70 el modelo de quark compuesto por seis tipos de quarks que se agrupaban a su vez en tres generaciones la primera generación eran los quark u y d la segunda generación era los quark c y s y la tercera generación eran los quarks t y b lo primero que tenemos que señalar es que los quarks tienen una carga fraccionaria es decir a diferencia de los protones que tienen una carga positiva con cierto valor que es idéntica a la carga de los electrones pero con signo cambiado los quarks en principio violaban lo que se conoce como la cuantización de la carga es decir la idea de que las cargas vienen en un múltiplo de la carga del protón ya recordemos que la carga del protones 1,6 * 10 elevado a menos 19 y que en adelante nosotros vamos a llamar pu pues bien cada generación de quark tenía dos cargas distintas una carga de dos tercios la carga del protón y una carga de menos un tercio la carga del protón es decir en el caso de la primera generación que es la cual forma a los protones y los neutrones habíamos dicho que los protones eran dos quark u y un quark d es decir dos tercios más dos tercios menos un tercio que es la carga de d nos da como resultado 1 construyéndose de esta forma el valor de la carga del protón en el caso del neutrón tenemos que su constitución es un quark u y dos quarks d es decir dos tercios menos un tercio menos un tercio y eso nos da cero pues bien todas las partículas que se han observado en el universo tienen una carga que es un múltiplo de la carga del protón o del electrón ustedes quieran ver siendo los quarks las únicas partículas que violan este principio de cuantización de la carga en función de la carga del protón pero de momento no se han descubierto quarks que estén solos por ahí por la vida etcétera etcétera es decir no hay ninguna partícula aislada que viole la cuantización de la carga en función de la acción de la carga en función de la carga del protón la materia formada por quarks que se conoce como Hadrones se combina de dos formas una son los mesones que es una combinación de un quark con un anti quark y la otra son los bariones que corresponden a tres cuarts juntos la última materia va a estar constituida por tres anticuás en este esquema un ejemplo de Mesones son los piones y un ejemplo de bariones son los protones y los neutros aquí tenemos una combinación cuarta y en el caso de los protones neutrones combinaciones de tres quarks así como en la interacción electromagnética la partícula que media son los fotones que por cierto no tienen ni carga ni masa en el caso de la interacción nuclear fuerte esta que mantiene unido a los quarks la partícula mediadora son los gluones los gluones poseen algo que se conoce como carga de color que es la vinagre la forma ingeniosa de diferenciarlo de la carga eléctrica los gluones lo que hacen es ir intercambiando el color de los quarks entre los cuales van interactuando y muchas veces el cambio de color del quarks da como resultado que esta partícula decaiga en dos partículas distintas por ejemplo podría darse la situación en la cual un protón producto de un cambio de color decaiga en un peón y en un neutrón que de hecho es la forma en la cual interactúan las partículas en el interior del núcleo esto mismo sucede con todos los demás Hadrones ya sean mesones es decir quark antiquark o que sean variaciones una combinación de tres quarks por cierto las clasificaciones de color de los quarks son rojo azul y verde con sus respectivos antirrojo anti azul y anti verde para los anticuars algo interesante es que cuando uno suma todos los colores en una suma que es bastante difícil de explicar en este momento siempre el resultado es una partícula de color negro es decir si tengo por ejemplo tres quarks en un protón la suma de los colores de estos tres quarks va a dar como resultado un color neutro o blanco que es otra forma de referirse a que la suma de estas tres cargas de color es sed y esto sucede para todas las partículas constituidas por una última propiedad que me gustaría mencionar respecto a los quarks es el confinamiento el confinamiento dice relación con el hecho de que no se pueden ver quarks aislado pensemos en dos cuartos que están acá estos quarks están interactuando producto de los gluones que se van intercambiando constantemente entre ellos sin embargo si yo comienzo a alejar los quarks la fuerza con la cual interactúan los gluones comienza a aumentar esto es muy diferente a lo que sucede con la interacción eléctrica o con la interacción gravitacional en la cual la fuerza se comienza a hacer más débil a medida que nos vamos alejando pensemos por ejemplo en la tierra a medida que nos alejamos de la tierra la gravedad comienza a disminuir en el caso de la fuerza nuclear fuerte de estos gluones que actúan como mediadores esto no es así por el contrario la fuerza comienza a aumentar pensemos por ejemplo en un resorte si yo comienzo a estirar estirar estirar el resorte el resorte va a ir adquiriendo más energía hasta el punto de que se rompa en dos resortes más pequeños etcétera etcétera la naturaleza de la fuerza nuclear fuerte con la que enteractúan los gluones es exactamente la misma en el caso de los gluones está en energía puede ser tan grande que el sistema genere un nuevo par quark anti quark es decir la energía de interacción entre los quarks si se incrementa lo suficiente puede dar origen a otras partículas el desarrollo del modelo de quads permitió simplificar enormemente la física subatómica pues de estas decenas de partículas fundamentales que había inicio de los años 60 se redujo el número a solamente seis cuartos u d, c s, t y b, siendo todas las partículas subatómicas una combinación ya sea de tres quarks el caso de los bariones o de un quark antiquark en el caso de los mesones pero pero pero existe una excepción a esto 6 partículas el electrón el muñón el tau y tres partículas llamadas neutrinos que no son sensibles a la fuerza nuclear fuerte y que interactúan mediante otro tipo de fuerza la conocida como fuerza nuclear débil pero de esta vamos a hablar en el siguiente

anteriormente vimos como la fuerza nuclear fuerte modificaba el color de las partículas permitiendo que existiese la interacción entre protones y neutrones vimos también lo que eran los quarks sin embargo también vimos de que existían seis partículas que no eran sensibles a esta fuerza en el día de hoy vamos a ver qué es la interacción débil y que son los leptones así que dicho esto adelante 

Existen seis partículas conocidas como lectores que no son sensibles a la fuerza nuclear fuerte ni a los cambios de color en las cargas de color de sus quarks entre otras cosas por qué no tienen quarks estas partículas se consideran como fundamentales es decir no están compuestas por otras partículas y son seis el electrón que es la partícula más conocida el muón y el Tauón estas tres partículas tienen carga negativa y por otro lado hay una partícula asociada a cada una de estas tres partículas que se conocen como neutrinos. Neutrinos electrónicos neutrinos muónicos y neutrinos tauónicos, que a diferencia de las tres primeras partículas, estas partículas son con carga neutra es decir tampoco son sensibles a la fuerza eléctrica por cierto estos seis leptones se agrupan en tres generaciones la primera generación corresponde al electrón y al neutrino electrónico, la segunda al muón, neutrino muónico y la tercera generación de electrones corresponde a la partícula tau con el neutrino tauónico sin embargo si estas partículas subatómicas no interactúan mediante la fuerza nuclear fuerte como lo hacen para entender lo que es la fuerza nuclear débil a la cual seis son sensibles debemos retroceder un poco más yéndonos a lo que es el decaimiento beta recordemos que las partículas pueden decaer de tres formas el decaimiento alfa en el cual la partícula libera núcleos de helio es decir un par de protones unidos a un par de neutrones el decaimiento beta en el cual algunos neutrones decaen en protones liberando además otras partículas y el decaimiento gama en el cual se libera radiación a través de fotones de altísima energía pues bien los primeros indicios de la existencia de la fuerza nuclear débil hoy conocida como interacción débil se debieron al decaimiento beta como vimos cuando en un núcleo existe un exceso de neutrones estos neutrones no tienen la capacidad de interactuar con otros protones mediante el intercambio de piones que mencionamos hace unos vídeos atrás por lo tanto estos neutrones decaen en protones recordemos que la composición de los neutrones es uud y la de los protones es UV es decir para que un neutrón se convierta en un protón un quark de debe convertirse en un quarku habíamos dicho de que existen seis quarks u d  c s  t y b a estos cual se les conoce como sabor pues bien en la fuerza nuclear débil lo que sucede es que se cambia esta propiedad llamada sabor de los quarts modificándose en el caso del decaimiento del neutrón la naturaleza de un quark d a un quark  u pero para que ocurra cualquier proceso decaimiento debe liberarse alguna partícula y aquí aparece el mediador de la interacción débil recordemos que todos los tipos de interacciones tienen mediadores la fuerza electromagnética tiene el fotón como mediador y la interacción nuclear fuerte tiene a los glúones en el caso de la interacción nuclear débil existen tres partículas que son las mediadoras dos partículas W, W más y W menos que tienen respectivamente la carga del protón y del electrón y una partícula neutra conocida como Zeta muy bien en el caso del decaimiento del neutrón la partícula liberada y que produce el cambio de sabor con el de este quark de es un W menos es decir viene un quark t está naturalmente unido a nosotros quarts libera una partícula W y el que libere la partícula W modifica su sabor convirtiéndolo en un quarku y bueno qué es lo que sucede con este W decae 2 partículas un l Electron y un neutrino es decir la modificación del sabor de nuestro neutrón que se convirtió en Protón implicó la aparición de dos electrones un electrón y un neutrino electrónico a diferencia de los fotones que puedes recorrer todo el espacio o a diferencia de los gluones que tienen un alcance de del orden del tamaño de un protono de un neutrón la fuerza nuclear débil tiene un alcance extremadamente corto de aproximadamente 10 a la menos 18 metros por lo tanto esta partícula W decae extremadamente rápido en el caso de las partículas Zeta estas suelen producirse por la interacción de un par lector por ejemplo podemos tener el choque de un electrón y un positrón a muchísima energía esta partícula Z a diferencia de los fotones requieren de mucha más energía para producirse entonces tenemos aquí nuestro párpado partícula antipartícula se produce una partícula zeta que muy rápido decae en otro par lepton antilepton por ejemplo podría ser 

un par electrón positrón o dúo la tiburón etcétera etcétera etcétera dependiendo de la energía con la cual el lector y el antilepton choquen otra forma en la cual actúa esta interacción débil es por ejemplo cuando un letón decae en otro tipo de partículas pensemos por ejemplo en una partícula  tau tiene una partícula  tau libera un doble de menos ya recordemos que los tau también son partículas con carga negativa al igual que los W y eso modifica el sabor del  tau convirtiéndolo en un neutrino tauónico y luego esta partícula W puede caer en por ejemplo eh con un neutrinobónico como vemos la interacción débil permite liberar ya sea W o Z que a su vez decae es esta la razón por la cual los neutrones pueden decaer en protones electrones y neutrinos como vemos la estructura de los electrones y de los neutrinos es distinta la estructura de protones y neutrones los protones y neutrones son hadrones mientras que los electrones y los neutrinos son leptones mientras que los leptones no son sensibles a la interacción nuclear fuerte los hadrones es decir todas las partículas compuestas por quarks si son sensibles a la interacción débil de hecho si no fuesen sensibles a la interacción débil los quarks no cambiarían esta propiedad que nosotros llamamos sabor y que hacen que un quark mute de un quark de a un cuarto u etcétera etcétera etcétera entonces a nivel de hadrones el efecto de la interacción débil es la modificación del sabor de alguno de los quarks que lo componen y por ende de la partícula en su conjunto y al haber una modificación de este sabor se libera una partícula W que luego decae en un letón y en un neutrino una cosa interesante de los neutrinos es que como vimos los neutrinos no tienen carga por lo tanto no sufren interacción electromagnética no sufren interacción nuclear fuerte y únicamente el experimentan la interacción débil de hecho esta es la razón por la que da la detección de los neutrinos fue tan compleja los neutrinos son partículas muy ligeras y que interactúan extremadamente poco con la batería de hecho por sobre nosotros nos atraviesan millones y millones de neutrinos a cada segundo pero de estos neutrinos vamos a hablar en un próximo video dadas todas las peculiaridades que estos experimentan