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Partículas subatómicas

Qué son las partículas subatómicas

Se consideran partículas subatómicas todas esas estructuras más pequeñas que el átomo. Son las responsables de dar las propiedades a la materia y su descubrimiento nos ha permitido entender muchos de los fenómenos de nuestro universo.

La física que gobierna en el mundo pequeño de las partículas subatómicas es la física cuántica, más concretamente la teoría cuántica de campos. Esta área de la física describe de forma teórica las distintas características de dichas partículas y ha supuesto un gran avance en la física moderna.

Durante toda la historia los humanos siempre hemos tratado de entender que esta compuesta la materia que nos rodea. Durante muchos siglos se creyó que el átomo era la parte indivisible de la materia.

Hoy en día sabemos que no es así. Existe un mundo lleno de partículas más pequeñas que el átomo y muchas de ellas no existen de forma natural en nuestro planeta ya que son altamente inestables.

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Espacios de Hilbert

Los espacios de Hilbert son espacios vectoriales muy importantes en campos de la física como la cuántica. Descubre que son y sus propiedades.

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Por esta razón hemos construido grandes aceleradores de partículas donde generamos subpartículas muy inestables que no podríamos detectar de forma natural. De esta forma vamos descubriendo poco a poco más y más subpartículas atómicas, como, por ejemplo, el famoso bosón de Higgs.

Partículas elementales y partículas compuestas

Las partículas subatómicas se clasifican según el modelo estándar en varios grupos. El primer nivel de clasificación son los bosones y fermiones.

Los fermiones se consideran esas estructuras que forman la materia y los bosones las que median la interacción entre los distintos fermiones.

Seguidamente haremos una introducción a las partículas subatómicas, compuestas y elementales más importantes de la física moderna.

Fermiones

Los fermiones son un tipo de partícula cuya función es constituir la materia. Este tipo de estructura es descrita por la una función de onda cuántica antisimétrica que sigue el principio de exclusión de Pauli.

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Este principio dice que dos fermiones no pueden encontrarse en el mismo estado cuántico. Además, este tipo de partículas tienen espín semienteros. Podemos clasificar los fermiones en quarks y leptones.

Quarks

Los quarks son partículas elementales que se unen a través de la interacción nuclear fuerte para formar los hadrones, dentro de los cuales se encuentran los protones o neutrones.

Conocemos 6 tipos de quarks: quark up, quark down, quark charm, quark strange, quark top y quark bottom.

La cromodinámica cuántica es la teoría cuántica de campos que describe el comportamiento de la interacción de los quarks en el núcleo y el bosón que media esta interacción: los gluones.

Leptones

Los leptones son un tipo de fermión que siguen la estadística de Fermi-Dirac, es decir, tienen spin ½ y cumplen con el principio de exclusión de Pauli.

En total existen 6 leptones diferentes según sus propiedades. Estos son el electrón, el muón, el tauón y sus neutrinos correspondientes, el neutrino de electrón, el neutrino del muón y el neutrino del tauón.

Hadrones

Los hadrones son partículas compuestas por quarks los cuales se mantiene unidos a través del intercambio de unos bosones llamados gluones, mediadores de la interacción nuclear fuerte.

Podemos clasificar los hadrones en bariones y mesones. Los bariones son hadrones que están formados por 3 quarks con cargas de color distinta. Los ejemplos más conocidos de bariones son los las partículas compuestas que constituyen el núcleo atómico, los neutrones y protones.

Los mesones son hadrones formados por la unión de un quark y un antiquark.

Bosones

Los bosones son las partículas elementales que generan las fuerzas fundamentales del universo.

Según la teoría cuántica de campos las interacciones que existen son consecuencia del intercambio de bosones entre fermiones. Por ejemplo, la fuerza eléctrica experimentada entre dos cargas es debida al intercambio de fotones.

Los quarks se mantienen bien unido en el núcleo atómico gracias a la fuerza nuclear fuerte, es decir, al intercambio de unos bosones llamados gluones.

Fotones

Los fotones son partículas fundamentales que componen la luz. Los fotones viajan por el vacío a una velocidad de 300000 km/s i no presentan masa. Son los portadores de todo tipo de radiación como la luz infrarroja, ultravioleta, la luz visible, los rayos X o los rayos gamma.

Gluones

Los gluones son los bosones que generan la interacción nuclear fuerte. Tienen una propiedad cuántica característica que recibe el nombre de carga de color. La carga de color tiene la función de mantener unidos los quarks entre ellos en el núcleo atómico.

Los gluones, más concretamente, el campo asociado a ellos (campo gluónico) es el encargado de dar la masa a bariones como protones o neutrones.

Bosones W y Z

Este tipo de bosones son los responsables de la fuerza nuclear débil. Esta fuerza es la mediadora de la desintegración radiactividad de núcleos atómicos inestables.

La teoría electrodébil describe la interacción nuclear débil como un campo de Yang-Mills asociado a una simetría gauge SU(2). Los bosones W y Z serien partículas generadas a través de la excitación de este campo cuántico gauge.

Gravitones

El gravitón es una partícula hipotética que seria la causante de la interacción gravitatoria. Su existencia aun no ha estado confirmada experimentalmente, solo a partir de teorías como la teoría de cuerdas en un intento de cuantizar la gravedad.

Según los modelos teóricos el gravitón tiene que tener spin 2, sin carga y con una masa prácticamente nula.

La teoría de cuerdas describe el gravitón como una cuerda o brana cerrada. Esto daría explicación a la debilidad de este tipo de fuerza y además podría ejercer la fuerza gravitatoria en otras dimensiones más allá de las 3 dimensiones de nuestro universo.

Partículas virtuales

Las partículas virtuales son un tipo de partículas subatómicas que viven durante un tiempo muy corto y sus propiedades son difíciles de obtener.

Según las teorías modernas las fuerzas fundamentales son consecuencia del intercambio de bosones. Estos bosones serian partículas virtuales con tiempos de vida muy cortos.

Por ejemplo, los fotones son partículas reales cuando transmiten la radiación electromagnética como la luz. Sin embargo, cuando actúan como mediadores de la fuerza electromagnética actúan como partículas virtuales.