El Modelo Estándar de la Física de Partículas: ¿De qué estamos hechos?

CIUDAD DE MÉXICO.-Desde niños nos enseñaron que estamos hechos de átomos, sin embargo, hay una rama de la Física que estudia lo más pequeño que el átomo y sus componentes que dan origen a la materia, y, por ende, de lo que estamos hechos.

¿Qué es el Modelo Estándar de la Física de Partículas?

El concepto de átomo fue propuesto por primera vez por filósofos griegos que no contaban con aparatos para la experimentación.

Usando únicamente su mente y la razón llegaron a la conclusión de que debería de haber un límite último para la división de las cosas como necesidad filosófica y lo llamaron átomo, que significa indivisible.

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No fue hasta 1897, 24 siglos después, que el físico JJ Thomson descubrió que el átomo no era una sola cosa, que estaba formado al menos por algo más, y lo llamó "corpúsculo", aunque rápidamente pasó a ser conocido como electrón.

Fue precisamente el electrón la primera partícula fundamental que se encontró, o sea, algo que realmente ya no podía ser dividido.

Tiempo después, el físico Ernest Rutherford encontró el protón en 1918 y en 1932 el físico James Chadwick descubrió el neutrón.

¿Qué es el átomo?

Es la parte más pequeña de una sustancia que no se puede descomponer químicamente.

Cada átomo tiene un núcleo (centro) compuesto de protones (partículas positivas) y neutrones (partículas sin carga).

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Los electrones (partículas negativas) se mueven alrededor del núcleo. Los átomos de diferentes elementos contienen diferentes números de protones, neutrones y electrones.

Es en un 99.999999999% vacío. Si hincháramos un átomo al tamaño de una catedral, el núcleo no sería más grande que una mosca revoloteando en el centro, el resto es espacio vacío.

La materia está en su mayor parte formada por "nada", si te observas la mano en realidad está hueca, y esto es porque los átomos están muy lejos unos de otros, pero, sin embargo, nosotros la vemos como algo lleno, pero en realidad lo que vemos son las interacciones entre los electrones de diferentes átomos, esas interacciones son más grandes que los mismos átomos, los átomos son básicamente vacío, pero a su vez están llenos de interacción electromagnética y eso es lo que le da entidad al átomo.

En cierto modo, toda la realidad que vemos son las interacciones.

¿Cuáles son las partículas fundamentales?

La primera partícula fundamental que encontramos son los electrones. Los protones y los neutrones están compuestos por otras cosas que se llaman quarks.

Durante la década de los 60 fueron descubiertos los quarks Up, Down y Strange. El quark Charm se encontró en 1974, el Bottom en 1977 y el Top en 1995.

Además de los quarks encontramos otra clase de partículas subatómicas, los leptones, donde el más conocido es el electrón, pero también existen seis, tres con carga eléctrica y tres sin carga; además de los neutrinos que son neutros eléctricamente.

Una cosa que distingue a los quarks de los leptones, es que los quarks no pueden estar separados, siempre van juntos, unidos por gluones, mientras que los leptones -como el electrón- son libres.

De esta manera se puede estudiar al electrón sin problema, pero no así con los quarks que deben estar unidos a otros, tanto es así que si hiciéramos fuerza para separar una pareja de ellos meteríamos tanta energía que se crearía otro quark para suplir el separado.

En resumen, estos son los ladrillos de lo que forman la materia y el universo.

¿Qué son las fuerzan que unen a las partículas para formar materia?

Hay algo muy importante en el mundo de la física de partículas, que son las fuerzas, ya que sin ellas las partículas estarían en una sopa revuelta sin interactuar y sentir la influencia de las otras, ni formarían átomos. Sería un universo sin mucho sentido.

Algo tiene que unir a los quarks Up y Down para formar los protones y neutrones y estos deben unirse mediante alguna fuerza a los leptones para formar los átomos.

Hay cuatro fuerzas:

El electromagnetismo y la gravedad actúan a la larga distancia, mientras que las otras dos solo son apreciables a muy pequeña escala, a distancias más pequeñas que un protón.

La física clásica nos lleva a pensar en la fuerza como una acción a distancia, pero en lo muy pequeño la fuerza se vuelve materia, se convierte en partículas, y los físicos dejan de hablar de fuerzas y comienzan a hablar de interacciones.

De manera que cuando se escucha hablar de fuerzas se trata en realidad de un intercambio de partículas y cada fuerza tiene la suya asociada: los bosones.

Por tanto, la fuerza electromagnética se transmite mediante el fotón, la fuerza nuclear fuerte usa el gluón y la fuerza nuclear débil tiene algo que se le conoce como bosón z y w.

¿Qué es el bosón de Higgs?

Existe una partícula conocida como la partícula de Dios, que en realidad es el bosón de Higgs.

Los físicos se han preguntado durante mucho tiempo por qué las cosas tienen masa, y se pensó que debería de haber una partícula responsable de ello, y se empezó a buscar, por ello el bosón de Higgs más que ser descubierto fue buscado intencionalmente hasta que en el año 2012 se observó por primera vez, confirmando su existencia con más datos en marzo del 2013.

Su funcionamiento se puede explicar de una forma sencilla: Imagina que todo el espacio está lleno de una malla de partículas, lo que se conoce como el campo de Higgs; un fotón no tiene masa y eso significa que no interactúa de ninguna manera con el bosón de Higgs, y, por tanto, se moverá libremente a la velocidad máxima posible, la velocidad de la luz.

Un electrón, sin embargo, interactúa con el campo de Higgs, muy débilmente, y es por ello que tiene muy poca masa. Por su parte, el quark Top es tan masivo que tiene una enorme dificultad para moverse por el campo que interactúa mucho con el bosón de Higgs.

Resumen:

Entre menor interacción con el campo de Higgs será menor masa y entre mayor interacción en el campo de Higgs mayor masa.

Es así como funciona el modelo estandar de partículas, aunque según los científicos tiene fallos, ya que no explica la gravedad, no explica la masa de los neutrinos, la simetría entre materia y antimateria, o que solo nos muestra el 4% de todo lo que existe dejando fuera la materia oscura y la energía oscura.

Sin embargo, en el mundo de la física es lo que se tiene hasta ahora y funciona muy bien.