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La materia está constituida por un
reducido número de las denominadas partículas elementales, cuyas propiedades
pueden explicar la mayor parte de los fenómenos físicos que aquélla experimenta.
Las
primeras partículas elementales halladas por el hombre fueron las moléculas que
integran los distintos compuestos químicos existentes en la naturaleza. Después
se descubrió que más elementales aún que las moléculas son los átomos que las
constituyen, a su vez compuestos por un núcleo y unas partículas cargadas
negativamente, los electrones, que se mueven en torno a él. Más adelante las
investigaciones revelaron que el núcleo de los átomos está formado por dos tipos
de partículas. los neutrones, que no poseen carga, y los protones, de carga
positiva.
Si
bien hasta hace relativamente poco se pensó que protones y neutrones eran las
partículas más pequeñas de la naturaleza, desde 1933 se han descubierto más de
200 partículas diferentes, todavía más elementales, más simples y de tamaño más
reducido que el protón, el neutrón y el electrón. Cada una de ellas, distintas
entre si, está compuesta por cuatro subpartícutas básicas, denominadas quarks.
Actualmente, se sabe que ni los átomos, ni los electrones, ni los protones ni
los neutrones son indivisibles. La duda está en identificar cuáles son las
verdaderas partículas elementales. Dado que la longitud de onda de la luz es
mucho mayor que el tamaño de un átomo, no es posible emplear la luz como
instrumento para ver las partes que lo constituyen.
Las partículas elementales
Mediante la dualidad onda-partícula de la luz se puede describir todo en el
Universo en términos de partículas; éstas poseen una propiedad, llamada espín,
que establece su dirección. Todas las partículas se pueden dividir en dos
grupos: las que poseen espín 1/2, que constituyen la materia, y las de espín 0,
1 y 2, que dan lugar a las fuerzas entre partículas materiales.
La
teoría formulada por Dirac, en 1928, estableció a relación entre la mecánica
cuántica y la relatividad propuesta por Einstein. Dirac explicó matemáticamente
la razón por la cual el electrón posee espín 1/2, y predijo, además, que el
electrón debía tener una pareja o antipartícula, el positrón. El descubrimiento
del positrón, en 1932, motivó la concesión del premio Nobel al científico..
Imagen de un acelerador de
partículas
Fuerzas de interacción entre
partículas
En
mecánica cuántica las partículas experimentan fuerzas de interacción entre
ellas. Cada partícula elemental, como un electrón o un
quark, emite una partícula portadora de
fuerza, que colisiona con otra partícula material y es absorbida por ella. Si en
la emisión de la partícula portadora de fuerza la partícula material que la
emite cambia de velocidad por el retroceso experimentado en la emisión, también
la partícula que la absorbe ve modificada su velocidad.
Dado
que las partículas portadoras de fuerza no obedecen al principio de exclusión de
Pauli, puede existir un número enorme de partículas intercambiables, con lo que
se podrían producir una serie de fuerzas de interacción muy potentes.
Según
la intensidad de la fuerza y del tipo de partículas implicadas, cabe distinguir
cuatro tipos:
Fuerza gravitatoria
Es la
fuerza experimentada por las partículas y, en general,
por todos los cuerpos, por el simple hecho de poseer masa o energía. Es la más
débil de las cuatro y se caracteriza por su gran alcance y porque siempre es
atractiva. En mecánica cuántica se representa por una partícula de espín 2, que
se llama gravitrón, y que no posee masa propia. Así, por ejemplo, la fuerza
gravitatoria entre la Tierra y el Sol se entiende como un intercambio de
gravitrones entre los dos cuerpos, más concretamente entre las partículas que
los forman.
Fuerza electromagnética
Es la
experimentada por las partículas cargadas eléctricamente y resulta muchísimo más
intensa que la gravitatoria. Como la fuerza eléctrica entre dos cuerpos se
traduce en mecánica cuántica en la atracción o
repulsión entre las partículas que los componen, en general se anulan las
fuerzas atractivas con las repulsivas, y el efecto es un cuerpo en estado
neutro. Si no se anulan por completo, casi llegan a hacerlo, por lo que el
resultado es una fuerza electromagnética neta muy débil. No obstante, dominan a
distancias muy pequeñas, como es el caso de los átomos y moléculas.
La
fuerza de atracción eléctrica entre los protones del núcleo y los electrones de
la corteza hace que éstos giren describiendo órbitas alrededor del núcleo del
átomo.
El
fotón es la partícula elemental que representa este tipo de fuerza, que se
entiende como un intercambio de esta clase de partículas.
Fuerza nuclear fuerte
Es la
que mantiene unidos a los quarks en el protón y el neutrón, y a éstos en el
núcleo del átomo. Se piensa que es transmitida por otra partícula, llamada gluón,
que sólo interacciona con los quarks y consigo misma. Para energías normales
esta fuerza es muy inténsa, pero a altas energías se debilita, de manera que los
quarks y los gluones se comportan como partículas casi libres.
Fuerza nuclear débil
Es la
causante de la radiactividad, y actúa sobre todas las partículas materiales de
espín 1/2, pero no sobre los fotones o los gravitrones, es decir, partículas de
espín 0, 1 y 2.
En
1967 Salam y Weimberg propusieron una teoría para
unificar esta fuerza con la electromagnética, y sugirieron la existencia de
otras tres partículas de espín 1 además del fotón: los denominados bosones.
Según esta hipótesis, para grandes energías (superiores a 100 GeV) los tres
bosones y el fotón se comportarían de forma similar1 pero a energías más bajas
los bosones adquirirían una gran masa y la fuerza que transmitirían sería de
corto alcance. Esta teoría fue comprobada y ratificada más tarde, cuando se
construyeron potentes aceleradores de partículas, capaces de alcanzar energías
tan grandes. Las tres partículas compañeras del fotón fueron definitivamente
identificadas en 1983, en el Centro Europeo para la Investigación Nuclear
(CERN).
Antimateria
En la
actualidad, se sabe que para cada tipo de partícula existen también
antipartículas, y que si interacciona una partícula con su correspondiente
antipartícula pueden aniquilarse. Pero no existe el mismo número de unas que de
otras; en realidad, en condiciones normales no hay antiprotones ni
antineutrones, éstos sólo se producen en los grandes aceleradores de partículas.
Tampoco en el espacio hay más que unos pocos antiprotones y antineutrones en
comparación con la cantidad de protones y neutrones existentes.
Si
existiera una gran cantidad de antimateria en comparación con la materia, se
producirían múltiples colisiones en el espacio, que provocarían la emisión de
una gran cantidad de radiación; así, las partículas se aniquilarían con las
antipartículas, desapareciendo la mayor parte de la materia existente.
En
general, se acepta que todo el espacio está formado por quarks, no por
antiquarks, porque las leyes de la física son diferentes para las partículas y
las antipartículas. Siempre se había creído que las leyes de la física poseían
tres simetrías:
C, P
y 1. La simetría C supone que las leyes son las mismas para partículas y
antipartículas; la simetría P, que las leyes son idénticas para, una situación
cualquiera y su imagen especular, y la simetría 1 supone que el movimiento de un
sistema no se altera si se invierte la dirección del movimiento de todas las
partículas y antipartículas. Sin embargo, se ha demostrado que la interacción
débil no cumple la simetría P, es decir, el efecto de la interacción débil hace
que evolucionen de forma diferente las partículas de las antipartículas. Tampoco
posee simetría C, ni simetría combinada PC.
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