En 1963, los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron la teoría de que los hadrones son en realidad combinaciones de otras partículas elementales llamadas quarks, cuyas interacciones son transmitidas por gluones, la partícula responsable de la interacción fuerte, y que consigue unir a los quarks para formar las partículas ya comentadas. Esta es la teoría subyacente de las investigaciones actuales, y se la suele denominar con el nombre de Modelo Estándar.

En la época en que el modelo de quarks fue propuesto, bastaban tres tipos de quarks: up, down y sideway o strange nombrados con las iniciales u, d, s; así como cuatro leptones: el electrón y el muon y sus compañeros neutrinos (neutrino electrónico y neutrino muónico). Las características de éstos se indican en forma de tabla más adelante.

Sin embargo diferentes avances realizados desde entonces han llevado a aumentar el número de partículas elementales.

Por una serie de consideraciones, en particular para eliminar la contradicción con el principio de Pauli, es decir que dos partículas que sean fermiones no pueden ocupar el mismo estado teniendo los mismos números cuánticos (o propiedades), fue introducido el concepto de color del quark. Debemos entender el color como una carga que, contrariamente a la carga eléctrica que sólo posee dos valores (positiva o negativa), en este caso existen tres cargas de color. Se indica, por tanto que cada quark puede existir en tres formas coloreadas: amarilla, azul y roja (señalemos que la mezcla de estos colores da el color blanco nulo). De esta manera los quarks que forman el protón (up-up-down) tienen coloraciones diferentes y el principio de Pauli no se infringe. Para explicar la antimateria formada por el mismo tipo de antiquarks se les dio una carga de color o simplemente color complementario (anticolores), los que sumados con colores base dan colores nulos.

El descubrimiento de nuevas partículas en el acelerador lineal de Stanford en 1974 identificó un nuevo quark, denominado charmed, encanto o simplemente c. En el modelo de partículas formados por 4 quarks, propuesto anteriormente. Este difiere de los demás quarks por otro número cuántico que se hizo necesario introducir, el número cuántico C o encantamiento, cuyo valor es cero en el resto de quarks y 1 para el quark c y su antiquark. Además la masa del quark c fue cinco veces mayor que la del quark s. Las parejas up-down, y electrón-neutrino (electrónico) se denominaron por tanto la primera generación, a su vez la segunda generación, que da lugar a partículas más inestables, está formada por los quarks strange-charmed y los leptones muon-neutrino (muónico).

Para la explicación de las propiedades de otra nueva partícula descubierta en el año 1976 en los laboratorios del acelerador lineal de Fermi, fue necesario introducir un quinto quark que recibió la designación b (de bottom , inferior o beauty, hermoso). Este quinto quark tiene una masa tres veces mayor que la del quark c. Ese mismo año, en el Acelerador Lineal de Stanford se encontró otro par de leptones: el tau y su neutrino.

Teóricamente se pronosticaba la existencia de un sexto quark que se representa por la letra t (de top, superior o true, verdadero), la base de esta suposición estaba en consideraciones simétricas, de esta manera tendríamos una tercera generación de quarks. Hasta 1995 no había ninguna evidencia experimental que apoyara la existencia de este quark. Sin embargo en Marzo de 1995 en el laboratorio Fermi se encontró que el quark t existe. Este quark pesa 35 veces lo que pesa el quark b.

Por tanto tenemos las siguientes partículas elementales:

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! Up ! Charmed ! Top !

Quarks ! ! ! !

! Down ! Strange ! Bottom !

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! Neutrino (el) ! Neutrino (mu) ! Neutrino (tau) !

Lepton ! ! ! !

! Electrón ! Muon ! Tau !

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I Generacion II Generación III Generación

Junto a los siguientes portadores de las fuerzas:

Teniendo el número de quarks que completa el Modelo Estándar, así como los portadores de partículas, vamos a indicar las propiedades o números cuánticos que tienen éstos:

Tipo de Carga Número Espín Extrañeza Charm Color

quark (Masa GeV) Eléctrica Bariónico

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! ! ! ! ! !

u (anti u) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 ! Amarillo,

0.3 ! ! ! ! ! ! Azul o Rojo

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! ! ! ! ! ! (Violeta,

d (anti d) ! - (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 ! anaranjado

0.3 ! ! ! ! ! ! o verde)

-----------------------------------------------------------------------------

! ! ! ! ! !

s (anti s) ! - (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! - (+) 1 ! 0 !

0.5 ! ! ! ! ! !

-----------------------------------------------------------------------------

! ! ! ! ! !

c (anti c) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 1 !

1.5 ! ! ! ! ! !

-----------------------------------------------------------------------------

! ! ! ! ! !

b (anti b) ! - (+) 1/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 !

4.5 ! ! ! ! ! !

-----------------------------------------------------------------------------

! ! ! ! ! !

t (anti t) ! + (-) 2/3 ! + (-) 1/3 ! 1/2 ! 0 ! 0 !

175 ! ! ! ! ! !

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La explicación de toda partícula se hace con la unión de estos quarks, y la interacción se realiza con el intercambio de los bosones portadores de las fuerzas. Por ejemplo un neutrón está formado por dos quark down y un quark up, estos se mantienen unidos gracias a un intercambio mutuo de gluones, viendo las propiedades de los quarks tenemos las características del neutrón, (carga eléctrica nula, y masa aproximada de 930 MeV). Análogamente sucede con el protón (dos quarks up y un quark down).

Acabo así la introducción a lo que se conoce de la Física de las Partículas Elementales actualmente, sin embargo los estudios en este campo son muy extensos y quiero decir que lo leído puede estar anticuado o incluso ser falso si otra teoría la ha sustituido.

La física de las partículas ha dado respuestas a cuestiones que hasta hace poco se consideraban irresolubles, pero ha abierto otros interrogantes.

El estudio de las partículas y de las fuerzas fundamentales lleva al estudio del espaciotiempo. En las teorías de las supercuerdas se hablan de espaciotiempo de más de 4 dimensiones, ¿dónde se hallan?, ¿por qué no se han desarrollado como sí lo han hecho las cuatro dimensiones espaciotemporales de nuestro Universo?

Al observar las estrellas percibimos materia, ¿dónde se halla la antimateria? ¿por qué la naturaleza no ha sido simétrica al crear la materia y la antimateria?

El Modelo Estándar predice la existencia de una masiva partícula escalar llamada bosón de Higgs, la cual, todavía, no ha sido posible observar experimentalmente, ¿dónde se encuentra dicho bosón?, ¿es realmente el responsable de la masa de las partículas? Además, en el modelo estándar tenemos tres generaciones de quarks, pero el mundo estable, el mundo que observamos está constituido exclusivamente con los quarks de la primera generación, ¿por qué esa asimetría?, ¿son necesarias las restantes generaciones? Y aún más, por razonamientos simétricos y basándonos en el SU(3) siempre deberá existir un múltiplo de tres para las generaciones de quarks, es decir que nos bastarían los seis quarks que ya existen, pero ¿existen más quarks?,¿son necesarias más generaciones de quarks?

Las Teorías de la Gran Unificación (GTU) han aclarado la dinámica del universo primitivo, pero mientras no exista una teoría totalmente unificada (que incluya la gravedad) no se podrá describir el origen del universo. Al imaginar que retrocedemos en el tiempo hasta el universo muy primitivo, la temperatura y la energía de interacción de partículas cuánticas pueden aumentar sin límite de modo de que llegará un momento en que se penetre en la escala de distancias de Planck. El problema de la gravedad cuántica se plantea inevitablemente si queremos aclarar el origen del universo.

El Modelo Estándar es una teoría que, hasta ahora, se ha comportado bastante bien desde el punto de vista experimental. Se trata de una teoría consistente; sin embargo, más de una "arbitrariedad" ha sido necesario aceptar, entre ellas la crítica más sólida resulta ser que tiene diecisiete parámetros libres, como por ejemplo, las constantes de acoplamiento, el espectro de masa fermiónica, etc... El valor de estos parámetros los toma la teoría de datos experimentales, pero los orígenes y la explicación de lo que significan y de su valor no son fáciles de entender teóricamente.

Aún queda un amplio camino para llegar a entender a la Naturaleza, aún así confío en que todo, y digo TODO, podrá ser comprendido por los físicos en el futuro. Y quizás en un futuro muy próximo.

Aparte de un gran cantidad de documentación, principalmente en inglés, que se encuentra en la red (entre ellos destaco monografías.com y lafacu.com), para la elaboración de este documento se han utilizado revistas científicas (Scientific American y Physics Review), y varios libros siendo los más utilizados: Curso de Física General (tomo 3) de I.V. Savéliev, Experimental Nuclear Physics (volumen I y II) de K.N. Mukhin, Electrodinámica Cuántica de A.A. Sokolov, Curso de Física Teórica de Landau, Quantum field Theory de Mandel, La Creación de P.W. Atkins, Claves ciertas de G.Feinberg, y Los primeros tres minutos de S. Weinberg.

Por último quisiera indicaros que el conocimiento y la información que no se divulga, ¡se pudre en el cerebro! La red está aquí para poder comunicaros. Os animo a que publiquéis trabajos y a que los hagáis accesible al mayor número de personas posibles (y si son del tercer mundo mucho mejor). Espero que os haya gustado y si queréis hacerme un comentario: autor

Resumen: este trabajo estudia la teoría de las Partículas y Fuerzas Elementales sin fórmulas matemáticas y comenzando con los componentes básicos de la materia. Se llega al modelo estándar de los quarks, y los elementos esenciales de la teoría cuántica de campos.

Categoría: Física

Plabras claves: quark, Cuántica, Partículas, Antipartículas, gluones, electrón, neutrón, átomo, Fuerzas Elementales, Campos elementales, Teoría Cuántica de campos, Simetrías, ElectroDinámica de Campos,...,junto a nombres de físicos como Bohr, Dirac, Rutherford, Zweig, Gell, Man,...

Trabajo enviado y realizado por:
Federico Tejeiro
jbond006[arroba]mixmail.com