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sábado, 11 de junio de 2016

Materia elemental

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En física de partículas, existen dos tipos básicos de partículas elementales que componen la naturaleza:
Fermiones y bosones.

Entre los ejemplos de bosones se incluyen partículas fundamentales como fotones, gluones, bosones W y Z (los cuatro bosones de gauge, portadores de fuerza del modelo estándar), el bosón de Higgs, el supuesto gravitón de la gravedad cuántica; partículas compuestas (por ej.: mesones y núcleos estables de número de masa par como el deuterio (con un protón y un neutrón, número másico = 2), helio-4 o plomo-208; y algunas cuasipartículas (pares de Cooper, plasmones, y fonones).

Características:
- Tienen un espín entero (0,1,2,...).
- No cumplen el principio de exclusión de Pauli y siguen la estadística de Bose-Einstein. Esto hace que presenten un fenómeno llamado condensación de Bose-Einstein (el desarrollo de máseres y láseres fue posible puesto que los fotones de la luz son bosones).
- La función de onda cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas.

Los fermiones, sin embargo, se caracterizan por tener espín semi-entero (1/2, 3/2, ...). En el modelo estándar de física de partículas existen dos tipos de fermiones fundamentales, los quarks y los leptones. Los fermiones se consideran los constituyentes básicos de la materia, que interactúan entre ellos a través de los bosones de gauge.

Los fermiones elementales se dividen en dos grupos:
- Quarks, que forman las partículas del núcleo atómico, y que son capaces de experimentar la interacción nuclear fuerte.
- Leptones, entre los que se encuentran los electrones y otras que interactúan básicamente mediante la interacción electrodébil.

Junto a los leptones, los quarks forman prácticamente toda la materia de la que estamos rodeados. En concreto la constituyen los dos primeros quarks ya que forman los protones y neutrones que a su vez forman los núcleos atómicos.

Un leptón es un fermión fundamental sin carga hadrónica o de color, que no experimenta interacción fuerte. Existen seis leptones y sus correspondientes antipartículas: el electrón, el muon, el tau y tres neutrinos asociados a cada uno de ellos.

Los quarks son la conclusión de los intentos para encontrar los fundamentos de la construcción de la materia. Con el triunfo de la teoría atómica en el siglo XIX se concluía que los átomos eran los componentes últimos de la materia y de ahí su nombre por ser indivisibles. Con el modelo atómico de Rutherford se demostró que el átomo no era indivisible, constaba de un núcleo y de una nube electrónica. El núcleo atómico se demostró posteriormente que estaba conformado de protones y neutrones. Con sólo cinco partículas elementales, fuera de los protones, neutrones y electrones, en la década de 1930 comenzaron a aparecer los muones de alta radiación y algunos neutrinos de forma indirecta. La confirmación de más mesones y bariones, primero en experimentos con alta radiación y luego en aceleradores de partículas, dieron la impresión de que nos enfrentábamos a un zoológico de partículas y fueron el impulso para buscar cada vez más partículas elementales.

Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas subatómicas tales como protones y neutrones. Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales.

Los quarks no se encuentran libres en la naturaleza sino que se agrupan formando hadrones. Éstos se dividen en dos tipos:
- Mesones: formados por un quark y un antiquark (piones, kaones,...)
- Bariones: formados por tres quarks (protones, neutrones,...).

Existen 6 tipos de quarks, cada uno con su color, su sabor, su carga, su isospín débil y su masa (entre las propiedades más importantes).

Carga eléctrica

La carga -⅓ o +⅔ de la carga elemental. Por esto siempre las partículas compuestas (bariones y mesones) tienen una carga entera. Experimentalmente (por ejemplo en el experimento de la gota de aceite de Millikan) no hay información de cargas fraccionarias de partículas aisladas. La tercera parte de la carga en los hadrones es debida a la presencia de los quarks. Actualmente se desconoce por qué la suma de las cargas de los quarks en un protón se corresponde exactamente a la del electrón, un leptón, con signo opuesto.

Masa
Aunque si bien se habla de la masa de los quarks en el mismo sentido que la masa de cualquier otra partícula, la noción de masa para un quark es complicada por el hecho que los quarks no pueden encontrarse solos en la naturaleza, siempre se encuentran acompañados de un gluón, por lo general. Como resultado, la noción de la masa de un quark es una construcción teórica que tiene sentido sólo cuando se especifica exactamente qué se usará para definirla.

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Ref. de artículos e imágenes de Wikipedia: Fermión, Bosón, Quark, Leptón .

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