La esencia de la materia: una historia de fermiones y bosones

¿De qué está hecho nuestro universo?.  Esta pregunta ha acompañado al hombre desde sus orígenes, pues conocer nuestra esencia íntima, desvelar quiénes somos, es uno de los grandes enigmas que todavía nos esforzamos en resolver.

En nuestro viaje al interior de nosotros mismos, hemos descubierto que somos organismos vivos, agrupaciones de células que están compuestas de moléculas, quienes a su vez están formadas por átomos. Y hemos aprendido que estos átomos se componen de un núcleo (que contiene protones y neutrones) rodeado por una nube de electrones.

Esto es lo que aprendemos en colegios e institutos: los ladrillos básicos de nuestro universo son los protones, los neutrones y los electrones.

Pero de vez en cuando, oímos noticias en la prensa que hablan de nuevos descubrimientos en física de partículas, que nos revelan la existencia de una auténtica fauna de extrañas partículas con nombres chocantes, que no sabemos donde encajan en el modelo que hemos estudiado.

Vamos a intentar explicar muy brevemente, cómo se organizan todas esas partículas, y cuáles son las que por ahora parecen ser los ladrillos fundamentales. La teoría física que explica este puzzle y cómo las partículas interaccionan es el Modelo Estándar. Según esta teoría existen dos tipos de partículas elementales: los fermiones y los bosones. El modelo explica las fuerzas entre dos partículas (fermiones) como resultado de un intercambio de partículas mediadoras (bosones).

1. Los fermiones

fermionesEstán asociados con la idea que tenemos de materia. Obedecen la estadística de Fermi-Dirac. Cumplen el principio de exclusión de Pauli (dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico a la vez). Tienen espín semientero. Cada fermión posee su propio anti-fermión.

Hay 12 fermiones diferentes: 6 son quarks y 6 son leptones.

Los fermiones se agrupan en tres familias o tres generaciones: cada uno consistente en una pareja de quarks y una pareja de leptones.

1.1. Los quarks

proton_thyerLos quarks son portadores de carga de color y por ello interaccionan con la llamada fuerza fuerte. También poseen carga eléctrica e isospín débil, por lo que también interaccionan con la fuerza electromagnética y la fuerza débil. Hay 6 tipos de quarks llamados up, down, charm, strange, top and bottom (o beauty).

La fuerza fuerte les confina de forma que se encuentran siempre agrupados formando compuestos sin carga de color: los hadrones. Éstos pueden estar constituidos por 3 quarks (y se llaman entonces bariones) o por una pareja de quark y antiquark (los mesones, que en realidad son bosones). Nuestros bien conocidos protones y neutrones son un tipo de bariones, y están por tanto compuestos por 3 quarks.

1.2. Los leptones

Los leptones no tienen carga de color, por lo que no interaccionan con la fuerza fuerte. A este grupo pertenecen el electrón, el muón y el tau, además de los neutrinos que cada uno lleva asociado, el neutrino electrónico, el muónico y el tauónico.

El electrón, el muón y el tau tienen carga eléctrica e interaccionan con la fuerza electromagnética y la fuerza débil. Los neutrinos no tienen carga eléctrica, por lo que sólo interaccionan con la fuerza débil, una de las razones por las que son difíciles de detectar.

 

 2. Los bosones

bosonesObedecen la estadística de Bose-Einstein. Tienen espín entero y no siguen el principio de exclusión de Pauli. Cinco de ellos son elementales: los 4 bosones gauge (que son portadores de fuerza) y el bosón de Higgs. Otros son bosones compuestos como los mesones.

Entre los bosones gauge encontramos a los fotones (portadores de la fuerza electromagnética), los gluones (portadores de la fuerza fuerte) y los bosones W+, W- y Z (portadores de la fuerza débil).

Además está teorizada la existencia del bosón de Higgs (de espín cero), que es una partícula elemental que explicaría el origen de la masa de las partículas elementales. Es la única partícula del Modelo Estándar de la que no hay todavía evidencia experimental. El gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN espera descubrir pronto a este escurridizo bosón.

Hadrón, leptón, muón, barión, fermión …. ¡Vaya lío!. No te desanimes con tan variada fauna, sólo quería presentarte a sus principales componentes, así podrás identificarlos en sus grupos cuando oigas hablar de ellos y hacerte una idea de sus propiedades y de cómo interaccionan. Escucharás muchos más nombres raros llamados con letras griegas (lambda, sigma, delta …), no te alarmes, muy probablemente serán tipos de hadrones.

Quédate con esto: Por lo que conocemos hasta ahora, los ladrillos fundamentales de nuestro universo son los quarks, los leptones y los bosones portadores de fuerza.

Y ahora con más confianza, descubre este mundo tan variado, una danza cósmica de creación y destrucción, de interacción, siempre en movimiento, ¡un verdadero desafío a nuestra imaginación!.

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~ por Lidia RANZ VILLARINO en 26 agosto 2009.

8 comentarios to “La esencia de la materia: una historia de fermiones y bosones”

  1. si bien me parece muy ilustrativa la exposición, me quedo con la esperanza de que algun dia aprendamos un poco mas como se integran o integrarian los quarks, leptones y bosones en un nivel de mayor complejidad. EXCELENTE, V.trippi

  2. Genial, simplemente genial. La composición de la materia no podia ser algo tan aburrido y simple como un núcleo con sus átomos. El todo esta compuesto de algo un poco más complejo y por lo visto muy interesante. Muy buena presentación.

  3. me parese excelente, la explicacion que se da de los fermiones y de los bosones, la manera que esta esta explicacion es muy facil de entender y la ilustracion es estupenda ya que asi solo al mirarlo no parece dana aburrido.

  4. Muchas gracias, el artículo esta muy interesante y no solo explica de una manera rápida los conceptos, sino que a su vez los presenta con una exactitud y de una forma tan concreta que todas las dudas que tenía acerca de todas estas partículas han quedado resueltas. de nuevo muchas gracias y espero que si tiene mas información acerca de estos temas me la pueda proporcionar.

  5. Síntesis sencilla, explícita y entendible. La naturaleza del universo inherente a nuestras vidas y muy poco conocido por la gran mayoría. Muy provechosa la información.

  6. Gracias por compartir estos avances de la ciencias, en forma clara y sintética, nos será de mucha utilidad en nuestra actividad docente.

  7. Sinceramente, aunque el mundo subatómico no obedece al sentido común me resulta dificil entender que lo que une una particula a otra sea o se explique como otra particulao algo por el estilo, no deberian usar figuras comunes para explicar un mundo que en nada se asemeja al real, es como preguntarse si un solo foton ilumina o no

  8. Si se me permite, creo que no se está teniendo en cuenta la posibilidad de que el universo tenga más de tres dimensiones, y en esas dimensiones adicionales que no podemos percibir con nuestros sentidos, ni con nuestros instrumentos tridimensionales, esté la explicación de la interacción de las partículas descritas en este magnífico artículo e incluso otras partículas que aún desconocemos y cuyas interacciónes actuarían determinantemente en nuestro universo tridimensional conocido.
    Para hacerse una idea de la cuarta dimensión recomiendo ver en Youtube el video: “Carl Sagan cuarta dimensión”, es muy interesante.
    Un saludo.

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