La física de las partículas elementales: un viaje al mundo subatómico

La física de partículas es un campo de la ciencia que estudia las partículas elementales y sus interacciones. Se basa en un paradigma llamado “el Modelo Estándar”, una teoría que fue confirmada experimentalmente desde su creación en 1970, pese a que no es completa debido a que subsisten preguntas sin respuesta.

Las partículas elementales se consideran indivisibles y sin estructura interna. Representan las unidades más pequeñas de la materia. En el pasado se consideraba que el átomo era la mínima unidad, pero después se encontraron los componentes subatómicos. Esto dio origen al Modelo Estándar.

El Modelo Estándar brinda el marco teórico para entender las partículas elementales y sus interacciones, ya que hace una diferenciación clara entre partículas elementales y compuestas.

Las partículas subatómicas

Las partículas elementales son los componentes básicos de la materia. Se caracterizan porque no están formadas por partículas más pequeñas, ni tienen estructura interna conocida.

La teoría atómica de John Dalton, formulada en el siglo XIX, planteaba que los átomos eran indivisibles. Sin embargo, los avances revelaron que los átomos están formados por partículas como protones, neutrones y electrones. Esto llevó a pensar que estas eran las partículas elementales.

Todo cambió desde los años 70, cuando se encontró que los protones y neutrones están compuestos por partículas más simples. Hasta el momento no se ha encontrado evidencia de que los componentes de protones o neutrones estén formados por partículas más pequeñas.

Aunque la teoría estándar describió esas partículas con precisión desde los años 70, solo se obtuvo una confirmación experimental de las mismas hasta 2012, especialmente del Bosón de Higgs. Hoy por hoy, se les considera las verdaderas partículas elementales.

Las partículas elementales

Las partículas elementales se dividen en dos grandes grupos: bosones y fermiones (que incluyen leptones y quarks).

Los leptones, quarks y bosones gauge se consideran actualmente los componentes más pequeños de la materia. Por eso, se hace referencia a ellos como “partículas propiamente elementales”.

Los leptones y quarks se agrupan en tres generaciones, cada una formada por partículas más masivas que la anterior:

• Generación 1: electrón, neutrino electrónico, quark arriba, quark abajo.
• Generación 2: muon, neutrino muónico, quark extraño, quark encantado.
• Generación 3: tauón, neutrino tauónico, quark fondo, quark cima.

Además de las partículas elementales, existen hadrones compuestos por los quarks. Algunas teorías proponen la existencia de partículas hipotéticas, partículas supercompañeras y cuasipartículas, cuya existencia o naturaleza solo está planteada teóricamente.

De otro lado, la física de la materia condensada también identifica otras entidades llamadas cuasipartículas.

Los aportes de la física de partículas

La física de partículas busca comprender la estructura fundamental de la materia y las interacciones esenciales. Plantea preguntas sobre aspectos tan fascinantes como la materia oscura, las fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo y la unificación de las fuerzas fundamentales.

Esta disciplina ha contribuido al desarrollo de tecnologías en diversos campos. Son muchos los dispositivos electrónicos basados en semiconductores que se han desarrollado con base en la física de partículas. Esto también incluye aplicaciones médicas como la terapia de radiación y tecnologías de imágenes.

Pese a que la física de partículas estudia los elementos más pequeños del universo, es determinante para entender los sistemas más grandes. Por eso, se encuentra estrechamente relacionada con la astrofísica y la cosmología.

Un amplio horizonte

Una de las herramientas más importantes de la física de partículas es la teoría cuántica de campos. Esta combina la mecánica cuántica y la relatividad especial. Sus planteamientos son esenciales para describir el comportamiento de partículas elementales.

A pesar de los avances actuales, todavía subsisten muchas preguntas sin respuesta. Por ejemplo, por qué las partículas tienen masas diferentes, o sea, por qué el electrón no tiene la misma masa que un quark o el Bosón de Higgs que un neutrino.

Se cree que algunos fenómenos podrían explicarse si se demuestra la existencia de las partículas hipotéticas. Las investigaciones continúan y es probable que más temprano que tarde encontremos nuevas respuestas.

Sobre el modelo estándar

El modelo estándar de la física de partículas es la teoría que describe la estructura fundamental de la materia y las fuerzas que actúan entre las partículas elementales. Según este modelo, existen doce partículas elementales básicas: seis quarks (up, down, charm, strange, top y bottom), seis leptones (electrón, muón, tau, electrón neutrino, muón neutrino y tau neutrino) y cuatro bosones mediadores de las fuerzas fundamentales (fotón, gluón, bosón W y bosón Z). Estas partículas interactúan entre sí a través de cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitatoria.

Una de las propiedades más sorprendentes de las partículas elementales es su dualidad onda-partícula, según la cual pueden comportarse tanto como partículas puntuales como ondas extendidas en el espacio. Este fenómeno, conocido como el principio de dualidad onda-partícula, es una de las bases de la física cuántica y ha sido confirmado experimentalmente en numerosos experimentos, como el famoso experimento de la doble rendija.

El principio de incertidumbre

Otra característica peculiar de las partículas elementales es su principio de incertidumbre, enunciado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927. Según este principio, es imposible conocer con precisión tanto la posición como el momento de una partícula en un determinado instante de tiempo. Esta incertidumbre cuántica implica que el mundo subatómico es intrínsecamente probabilístico y que las partículas elementales pueden estar en múltiples estados cuánticos simultáneamente.

Lecturas recomendadas

Física de las partículas elementales

Introducción a la física de partículas