El modelo estándar y el bosón de Higgs: Constituyentes básicos de la materia

Partes del especial «El modelo estándar y el bosón de Higgs»

Parte 1: El Modelo Estándar
Parte 2: Constituyentes básicos de la materia
Parte 3: Interacciones básicas
Parte 4: Simetrías básicas
Parte 5: Masa contra simetría
Parte 6: El mecanismo de Higgs
Parte 7: Una imagen sencilla
Parte 8: Ruptura espontánea de la simetría
Parte 9: Ruptura electrodébil
Parte 10: Al comienzo del universo…

Como sabemos, la materia ordinaria está hecha de protones, neutrones y electrones, que son los constituyentes de los átomos. Y, a su vez, los protones y neutrones están hechos de quarks u y d; recordemos que la composición de un protón es uud y la de un neutrón es udd.

atomo nucleo proton electron quarks

Así que, de entrada, tenemos tres partículas básicas, el electrón, el quark u y el quark d, que, como los bloques elementales de un juego de construcción, componen los átomos y por tanto casi todos los objetos y sustancias del universo. Los seres vivos, los planetas, las estrellas, el polvo y el gas que flota en el espacio exterior; todos están hechos solo con estas tres piezas básicas.

De estas tres partículas, el electrón, descubierto por J. J. Thomson en 1897, es sin duda la más familiar. Los quarks son menos conocidos, por lo que merece la pena hablar un poco de ellos. En los años sesenta se habían descubierto muchas «partículas elementales» con propiedades diversas.

Además del electrón, protón y neutrón, se habían descubierto la partícula µ (o muón), las partículas π (o piones), las partículas Κ, Δ, Λ, etc. En 1964 Murray Gell-Mann y George Zweig, por separado, hicieron la hipótesis de que la mayor parte de estas partículas (incluidos el protón y neutrón) estaban en realidad compuestas de otras llamadas quarks.

muon creacion

Al principio no se creyó seriamente en la realidad de los quarks y se los vio más bien como una herramienta matemática para clasificar partículas (parece que el propio Gell-Mann tenía esa opinión). Verdaderamente, los quarks son partículas sorprendentes.

Para empezar, tienen carga eléctrica fraccionaria: en unidades de la carga del electrón, el quark u tiene carga positiva 2/3 y el quark d carga negativa −1/3, algo nunca visto. Aún más inquietante: nunca se ha observado un quark libre.

Los quarks solo «viven» en el interior de las partículas compuestas, como el protón y el neutrón. Este llamativo fenómeno se conoce como confinamiento, pero en aquella época no había una razón clara que lo explicara. Hoy sabemos que la responsable del confinamiento es la interacción fuerte entre quarks, ya mencionada en el capítulo anterior, y sobre la que volveremos a tratar.

quarks

A pesar de lo raros que resultaban, pronto empezarían a obtenerse pruebas experimentales convincentes de que los quarks existen realmente. Por ejemplo, haciendo chocar un electrón muy energético con un protón, se consigue que el electrón interaccione de forma individual con alguno de los quarks (o gluones) del interior del protón, obteniendo así información directa de lo que hay dentro del mismo. Los resultados confirman a la perfección la hipótesis de los quarks y sus propiedades, de los que hoy nadie duda.

Junto al electrón y los quarks u y d, hay que considerar a los neutrinos (representados por la letra griega ν). Los neutrinos, predichos por Pauli en 1930 y detectados por vez primera en 1956, son partículas muy abundantes, pero extraordinariamente ligeras y escurridizas.

En futuros posts volveremos sobre las fascinantes propiedades de los neutrinos. Por el momento basta con saber que su espín es 1/2 (como el de sus compañeras), que no tienen carga eléctrica y que los hay de tres tipos. Uno de ellos es el neutrino electrónico, νe, que se manifiesta siempre asociado al electrón en sus interacciones (los otros dos tipos aparecerán enseguida). Este neutrino, junto al electrón y los quarks u y d, forman la llamada primera familia de partículas elementales (o familia del electrón):

familia particulas elementales

Existen otras dos familias de partículas elementales, totalmente análogas a la primera: la familia del muón (µ) y la del tau (τ). El muón y el tau son prácticamente idénticos al electrón en todas sus propiedades, excepto en su masa: el muón es unas 200 veces más pesado que el electrón, y el tau unas 3500. Cada uno tiene su familia completa, formada por un neutrino (νµ y ντ, respectivamente) y una pareja de quarks (c, s para el muón, y t, b para el tau).

Las letras que designan los quarks son las iniciales de los nombres que los físicos les dieron históricamente: up, down, charm, strange, top y bottom. Cada familia es una réplica casi exacta de la anterior, excepto que las masas de sus partículas son mayores. Podemos resumir esta información en la siguiente lista, donde a la derecha de cada partícula aparece su masa expresada en GeV:

1.ª FAMILIA
e 0,0005
νe ?
u 0,002
d 0,004

2.ª FAMILIA
µ 0,106
νµ ?
c 1,25
s 0,095

3.ª FAMILIA
τ 1,78
ντ ?
t 173
b 4,2

La masa de los neutrinos es aún incierta, pero desde 1998 sabemos que es distinta de cero aunque diminuta: menos de una millonésima de la masa del electrón.

Aquí surgen muchas cuestiones. ¿Por qué la materia se presenta en esta estructura de familias? ¿A qué se debe que cada familia tenga masas mayores que la anterior? ¿Por qué los neutrinos tienen masas tan pequeñas? Todas estas cuestiones se suelen denominar el «problema del sabor», ya que en la jerga científica las distintas especies de partículas se denominan sabores. Este es el tipo de problema que fascina a los físicos: la naturaleza presenta un rompecabezas y hemos de buscarle una explicación.

Y, a día de hoy, nadie ha encontrado una explicación satisfactoria. Indudablemente, el descubrimiento del Higgs podrá arrojar luz sobre estas cuestiones, ya que está directamente relacionado con el mecanismo que da masa a las partículas, aunque quizá no las resuelva por sí solo. Volveremos sobre ello en próximos artículos.

neutrinos

Es importante señalar que, aunque casi toda la materia conocida está hecha con partículas de la primera familia, desde la perspectiva moderna las otras dos familias son tan fundamentales como la primera, aunque no sepamos por qué están ahí (tampoco lo sabemos para la primera). ¿Por qué en el universo hay tantas partículas de la primera familia y tan pocas de las otras dos? La razón es sencillamente que estas últimas son inestables (con excepción de los neutrinos).

Por ejemplo, un muón se desintegra en una millonésima de segundo, produciendo un electrón, un antineutrino electrónico y un neutrino muónico. Asimismo, los quarks de la segunda y tercera familia forman multitud de partículas compuestas, pero todas ellas son inestables.

Para terminar este artículo, hay que decir que, aparte de la materia observada y recogida en la lista anterior, tenemos pruebas abrumadoras de la existencia de otra materia, llamada materia oscura. La materia oscura es aproximadamente seis veces más abundante que la materia ordinaria y se encuentra dentro y alrededor de las galaxias, envolviéndolas como un halo difuso.

Prácticamente lo único que conocemos de ella es que ha de ser distinta de la materia ordinaria, lo que casi con seguridad es una señal de nueva física más allá del Modelo Estándar que estamos describiendo. En futuros posts volveremos sobre la materia oscura y otros indicios de que existe física fundamental aún desconocida.

particulas fundamentales fermiones bosones

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