Asdrúbal Valencia Giraldo - Ciencia de los metales

El MEFP establece que el universo puede describirse usando 6 quarks, 6 leptones y algunas partículas “portadoras de la fuerza”. Las cuatro fuerzas o interacciones conocidas: electromagnetica, gravitatoria, débil y fuerte, están mediadas cada una por una partícula fundamental, a la que se llama partícula intermediaria o portadora. Los fotones se encargan de la interacción electromagnética, los gravitones de la interacción gravitatoria, los gluones de la interacción fuerte, mientras que las partículas W± y Zº son las portadoras de la fuerza débil. La gravedad está incluida en el Modelo Estándar como hipótesis, pues los gravitones no han sido observados experimentalmente. Los valores numéricos del MEFP, como son la masa de las partículas y sus cargas, son datos que se han obtenido experimentalmente. En total, se han tenido que medir unas veinte cantidades para que la descripción del MEFP sea completa.

Uno de los valores que caracterizan a las partículas es su espín. El espín de una partícula es algo así como su momento magnético. Si las partículas fueran pequeñas esferas, el espín de una partícula sería el número de vueltas que hay que darle a la misma para que se quede como estaba. Por supuesto, las partículas no son pequeñas esferas, por lo que nadie puede dar una descripción exacta de lo que en realidad es el espín, como pasa con otros muchos conceptos de la mecánica cuántica.

Lo interesante del espín es que diferencia claramente a las partículas que forman la materia (fermiones) de las que transmiten las fuerzas (bosones). Los fermiones tienen espín “entero + ½” (1/2 o 3/2), y los bosones lo tienen “entero” (0, 1 o 2).

Así pues, en la actualidad, el modelo estándar de la materia ha determinado que las aproximadamente sesenta partículas existentes están compuestas por los fermiones y los bosones.

El que el espín sea entero o no, marca una importante diferencia de comportamiento entre bosones y fermiones. Las ecuaciones de la mecánica cuántica dicen que dos fermiones no pueden estar juntos en el mismo estado, mientras que dos bosones sí. Esto se utiliza en la práctica en el rayo láser, que es un conjunto de fotones acoplados comportándose como si fueran una única partícula.

En realidad, los fermiones son considerados partículas y los bosones son tenidos por interacciones entre partículas; es decir, los bosones hacen que permanezcan unidos los fermiones.

Esta es una de las explicaciones para el inicio del universo, pues en un principio, debido a las altas temperaturas, los fermiones se encontraban sueltos; todo el universo era simplemente gas de leptones y cuarks. Después de la gran explosión, los fermiones fueron unidos por los bosones y se empezaron a formar los átomos, dándole forma a la materia.

El MEFP establece que los fermiones se descomponen en tres familias, y que cada una de ellas consta de un electrón, un neutrino y dos cuarks (véase figura 1.1). A los “electrones” de las otras dos familias se les llama muón y tau (partículas idénticas al electrón, salvo que de mayor masa). Además de estas doce partículas, existen las correspondientes doce antipartículas: positrón, antineutrino y anticuarks en cada una de las tres familias. En realidad, toda la materia que se conoce está formada por partículas de la primera familia; las de las otras dos familias sólo son visibles en situaciones especiales, como en los aceleradores de partículas. A los electrones y neutrinos se les llama genéricamente leptones y a los cuarks se les denomina hadrones. Los protones y neutrones ya no son partículas elementales, pues están compuestos por tres cuarks.

Figura 1.1 Diagrama del modelo estándar de la física de partículas.

Reiterando, todas las partículas elementales son bosones o fermiones, dependiendo de si su espín es entero o semientero. Son ejemplos de bosones: el núcleo de deuterio (2H); los átomos de helio-4 o partículas alfa; cualquier núcleo con espín entero; los fotones; los fonones; los bosones W y Z; los gluones; el bosón de Higgs y el bosón X.

Los bosones son los mediadores de fuerza o partículas portadoras de las interacciones fundamentales, puesto que los campos electromagnéticos, electrodébil, fuerte y presumiblemente el gravitatorio, están asociados a partículas de espín entero. La descripción cuántica de estas interacciones fundamentales consiste en el intercambio de una partícula que será siempre un bosón virtual. Así, la interacción de dichos bosones virtuales con fermiones reales es lo que da lugar a dichas interacciones o fuerzas fundamentales. El alcance de tal interacción viene dado, en general, por la masa de la partícula intercambiada. A los bosones involucrados en estas interacciones se les denomina bosones gauge. Estos son:

Los bosones W y Z para la interacción débil.

Los gluones para la interacción fuerte.

Los fotones para la fuerza electromagnética.

Los teóricos gravitones para la fuerza gravitatoria.

La fuerza nuclear fuerte es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protón y neutrón) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.

La interacción débil, frecuentemente llamada fuerza débil o fuerza nuclear débil se debe al intercambio de los bosones W y Z, que son muy masivos. Los efectos más conocidos son el decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. La palabra “débil” deriva del hecho que su campo de fuerzas es de 1013 veces menor que la interacción nuclear fuerte. Aun así, esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.

La interacción electromagnética es la interacción que se da entre las partículas con carga eléctrica. Desde un punto de vista macroscópico, suele separarse en dos tipos: la interacción electrostática, que actúa sobre cuerpos cargados en reposo respecto al observador, y la interacción magnética, que actúa solo sobre cargas en movimiento respecto al observador. Las partículas fundamentales interactúan electromagnéticamente mediante el intercambio de fotones entre partículas cargadas.

La gravedad, denominada también fuerza gravitatoria, fuerza de gravedad, interacción gravitatoria o gravitación, es la fuerza teórica de atracción que experimentan entre sí los objetos con masa.

En resumen, la descripción conjunta de la fuerza débil y la electromagnética constituye la llamada interacción electrodébil, que fue la primera generalización.

Luego, esta interacción electrodébil se integró con la fuerza nuclear fuerte para lograr la teoría de la gran unificación. Sin embargo, no ha sido posible incluir la fuerza gravitatoria para establecer la Teoría del Todo.

En la figura 1.2 se muestran los conceptos enunciados del MEFP.

Por otro lado, los cuarks y leptones constituyen la materia. Los cuarks tienen carga eléctrica fraccionaria y son seis tipos: arriba, abajo, sabor, rareza, fondo y tapa. En la figura 1.3 se muestra la familia de los cuarks.

Varias especies de cuarks se combinan de manera específica para formar partículas como protones y neutrones (véase figura 1.4).

Figura 1.2 Modelo estándar

Fuente: Wikimedia (s. f.).