El modelo estándar y el bosón de Higgs: Interacciones básicas

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…

Hablemos ahora de las interacciones de la materia. Hemos mencionado la interacción electromagnética, que es sentida por todas las partículas elementales con carga eléctrica; o sea todas, excepto los neutrinos. Por otro lado está la interacción fuerte, mucho más intensa que la electromagnética en las distancias muy cortas, y sentida solo por los quarks. Es habitual clasificar las partículas elementales en leptones y hadrones.

clases particula

Los leptones son las partículas que no sienten la interacción fuerte: electrón, muón, tau, y sus correspondientes neutrinos. Los hadrones son las que sí la sienten: los quarks, y por extensión las partículas compuestas de quarks, como el protón y el neutrón. Además de estas fuerzas está la llamada interacción débil, de intensidad parecida a la electromagnética en las distancias muy cortas, pero que disminuye mucho más rápido con la distancia.

leptones

La fuerza débil es sentida por las doce partículas elementales conocidas y juega un papel esencial en las reacciones nucleares, por ejemplo las que ocurren en el interior de las estrellas y que son responsables de la luz y el calor que irradian. A estas tres interacciones hay que añadir la gravitatoria, sentida también por todas las partículas.

La intensidad de la fuerza gravitatoria es mucho menor que la de las otras tres, aunque para objetos grandes, como la Tierra, las fuerzas gravitatorias, provenientes del gran número de átomos presentes, se acumulan y se hacen apreciables, como bien sabemos. Para hacerse una idea de la pequeñez de la fuerza gravitatoria comparada, por ejemplo, con la electromagnética, pensemos que, cuando un pequeño imán levanta un tornillo, está generando una fuerza que es capaz de superar la fuerza gravitatoria ejercida sobre ese mismo tornillo por toda la Tierra.

magnetismo

A pesar de ser tan distintas en su intensidad, las cuatro interacciones básicas presentan aspectos comunes importantes. Todas ellas están mediadas por ciertas partículas, que hacen el papel de mensajeros de la interacción. Imaginemos dos niños, subidos cada uno en una barca en reposo sobre un estanque. Los dos niños empiezan a jugar lanzándose una pelota el uno al otro. Como consecuencia, las dos barcas se alejarán progresivamente la una de la otra: se «repelerán». Algo parecido sucede con las cuatro interacciones básicas.

Son producidas por el intercambio de otras partículas. Por ejemplo, los mediadores de la interacción electromagnética son los fotones o partículas de luz. Cuando un electrón (de carga negativa) repele a otro electrón, podemos imaginarnos que esa repulsión surge del intercambio de fotones entre ellos, igual que cuando los dos niños se intercambiaban la pelota. Esto podemos visualizarlo así:

repulsion electrones fotones

La letra griega γ simboliza el fotón intercambiado. De un modo semejante, la interacción fuerte está mediada por los llamados gluones (g), y la interacción débil, por los llamados bosones W y Z. Finalmente, todos los físicos creen que la interacción gravitatoria tiene también su partícula mediadora, el gravitón (G), que es la única de estas partículas que aún no se ha detectado como tal. Mencionemos que hay ocho tipos distintos de gluones y que el bosón W tiene carga eléctrica, por lo que hay dos de ellos: el W+ y el W−.

Resumiendo todo lo que hemos dicho, podemos dar una tabla de todas las partículas elementales conocidas y las partículas que median sus interacciones:

materia interacciones leptones quarks

Otro aspecto común a todas las fuerzas es que las partículas mensajeras tienen espín entero, contrariamente a las partículas de la materia, que tienen espín 1/2. Concretamente, el fotón, los gluones y los bosones W y Z tienen espín 1 y el gravitón, espín 2. Finalmente, todas las partículas mediadoras tienen masa cero, excepto los bosones W y Z, que tienen masa y además muy grande: 80 GeV y 91 GeV, respectivamente. Solo el quark top (y el recién descubierto bosón de Higgs si se confirma su naturaleza) les supera.

¿A qué se deben todas estas «curiosas» propiedades de las interacciones y sus partículas mediadoras? Tal vez el lector o lectora imagine que es un misterio, al igual que el problema del sabor antes mencionado. Sin embargo, una de las maravillas del Modelo Estándar es que incorpora una explicación satisfactoria de estas propiedades de las interacciones. Todas ellas son consecuencia de algo más profundo: las simetrías del Modelo Estándar.

modelo estandar

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