Modelo Estándar de Partículas: Quarks, Leptones y Bosones

Resumen

El texto explica cómo se llegó al modelo estándar de la física de partículas, desde los atomistas griegos hasta el descubrimiento de nuevas partículas. Describe las 12 partículas elementales, divididas en quarks y leptones, y sus propiedades: carga, masa y espín. También explica las antipartículas, los hadrones y la clasificación en fermiones y bosones.

Puntos clave

Según el modelo estándar, la materia está formada por 12 partículas elementales, divididas en quarks y leptones.
Los quarks son u, d, c, s, t y b. Los leptones son el electrón, el muón, el tau y tres neutrinos.
Las partículas elementales se caracterizan por la carga eléctrica, la masa y el espín.
Hay tres generaciones de partículas; cada una es similar a la anterior, pero con partículas más masivas.
Los quarks no pueden existir aislados: forman hadrones. Los bariones tienen 3 quarks y los mesones, un quark y un antiquark.
Los fermiones tienen espín semientero y forman la materia ordinaria. Los bosones tienen espín entero y median las interacciones.
El fotón media la interacción electromagnética; los bosones W y Z, la interacción débil; y los gluones, la interacción fuerte.

Ponte a prueba

De los atomistas griegos al modelo estándar

Los atomistas de la antigua Grecia intuyeron que el universo estaba compuesto de elementos indivisibles, a los que llamaron «átomos». En el siglo XIX, la teoría atómica permitió explicar las reacciones químicas y el comportamiento de los gases con un modelo de átomo indivisible.

Más tarde se demostró que el átomo está formado por protones y neutrones en el núcleo, y electrones en la corteza. Sin embargo, esta estructura atómica no podía explicar fenómenos como la desintegración radiactiva, de manera que se fueron proponiendo y descubriendo otras partículas (en los rayos cósmicos y en los aceleradores de partículas) hasta llegar a la teoría actual, llamada «modelo estándar».

El modelo estándar de la física de partículas

Según el modelo estándar, la materia está formada por 12 partículas elementales (no compuestas de otras más simples), que se clasifican en dos grupos:

Quarks: u, d, c, s, t y b, donde las letras denotan up, down, charm, strange, top y bottom.
Leptones: electrón (e), muón (μ), partícula tau (τ) y tres neutrinos asociados (neutrino electrónico νe, neutrino muónico νμ y neutrino tau ντ).

Propiedades de las partículas elementales

Las partículas elementales se caracterizan por tres magnitudes:

Carga eléctrica
Masa
Espín (momento angular intrínseco)

Los neutrinos no tienen carga, mientras que el electrón, el muón y el tau tienen carga negativa −|e|. Los quarks pueden tener carga −1/3|e| o +2/3|e|.

Generaciones de partículas

Existen 3 generaciones de partículas. Cada generación es similar a la anterior, pero con partículas cada vez más masivas.

Antipartículas y antimateria

Cada partícula tiene su correspondiente antipartícula con carga opuesta. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón. Las antipartículas constituyen la antimateria.

Confinamiento de los quarks: los hadrones

Los quarks sienten la interacción fuerte y no pueden existir aislados: se agrupan formando hadrones, que pueden ser:

Bariones: formados por 3 quarks, como el protón (uud) o el neutrón (udd).
Mesones: formados por 1 quark y 1 antiquark, como el pión o el kaón.

Los átomos están formados por partículas de la primera generación.

Clasificación según el espín

Las partículas también se clasifican según su espín en:

Fermiones: poseen espín semientero, como los leptones y los quarks, que tienen espín 1/2. Forman la materia ordinaria.
Bosones: poseen espín entero y son las partículas mediadoras de las interacciones, como:
- el fotón, que media la interacción electromagnética;
- los bosones W y Z, que median la interacción débil;
- los gluones, que median la interacción fuerte.

Preguntas frecuentes

¿Qué son los hadrones?

Son partículas formadas por quarks, porque los quarks no pueden existir aislados. Los bariones tienen 3 quarks, como el protón (uud) o el neutrón (udd). Los mesones tienen un quark y un antiquark, como el pión o el kaón.

¿Qué diferencia hay entre fermiones y bosones?

Los fermiones tienen espín semientero, como los leptones y los quarks, y forman la materia ordinaria. Los bosones tienen espín entero y median las interacciones, como el fotón o los gluones.

¿Qué es la antimateria?

Cada partícula tiene una antipartícula con carga opuesta. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón. Las antipartículas constituyen la antimateria.