Las partículas y sus propiedades

Las partículas elementales, como todos bien sabéis, están repartidas por familias y grupos que, desde los Quarks y los Leptones pasando por los Hadrones (Bariones y Mesones), conforman la materia que podemos ver, la que emite radiación y forman desde estrellas y mundos hasta seres vivos como nosotros.

“Los quarks son unas «partículas» propuestas por Gell-mann y Zweig en 1964 como los constituyentes de la mayor parte de los ejemplares del Zoo de partículas. El nombre que ha subsistido es el de Murray Gell-mann, quien cuenta su origen en su libro The Quark and the Jaguar: primero creó el sonido, que sería parecido al graznido de un pato, y luego encontró un término que se adaptaba a ese sonido en una frase sin sentido claro, three quarks for Muster Mark del Finnegan’s Wake de Joyce. Por su parte, George Zweig les denominó aces, un nombre que se refiere a los cuatro ases de las cartas de juego.”

En este bonito dibujo (la última imagen) se ve un rollizo electrón en compañía de su antipartícula, el positrón. Obsérvese que son igualitos, excepto en la carga, que viene dada por el distinto espín, giro.

Una propiedad digna de mención de todas estas partículas pequeñas es que pueden rotar alrededor de un eje, igual que las bolas de tenis o de billar pueden tener espín; pero hay una diferencia importante entre estas partículas y las bolas de tenis o billar. El espín (o, con más precisión, el momento angular, que es aproximadamente la masa por el radio por la velocidad de rotación) se puede medir como un múltiplo de la Constante de Planck dividido por 2π. Medido en esta unidad y de acuerdo con la mecánica cuántica, el espín de cualquier objeto tiene que ser o un  entero o un entero más un medio. El espín total de cada tipo de partículas –aunque no la dirección del mismo- es fijo.

El electrón por ejemplo, tiene espín ½. Esto lo descubrieron dos estudiantes holandeses. Samuel Goudsmit (1902-1978) y George Uhlenbeck (1900-1988), que escribieron sus tesis conjuntamente sobre este problema en 1927. Fue una idea audaz que partículas más pequeñas como los electrones pudieran tener espín y, de hecho, bastante grande. Al principio, la idea fue recibida con escepticismo porque la “superficie del electrón” se tendría que mover con una velocidad 137 veces mayor que la de la luz. Hoy día, tales objeciones son sencillamente ignoradas porque no existe tal superficie de un electrón.

Los fotones y los neutrinos, al ser partículas sin masa, comparten la propiedad de que su eje de rotación es siempre paralelo a la dirección del movimiento, mientras que otras partículas rotan en direcciones arbitrarias. Siempre será difícil describir el espín con palabras sencillas. La mecánica cuántica hace imposible definir con precisión la dirección del eje de rotación, excepto para los dos casos mencionados. Sin embargo, para objetos grandes que rotan con velocidades altas, la dirección de rotación puede tener un significado más preciso.

Las partículas con espín entero se llaman “Bosones” y las que tienen espín entero más un medio se llaman “Fermiones”. Así, si miramos una tabla de partículas, comprobamos que los Leptones y los Bariones son fermiones, y que los Mesones y los Fotones son Bosones. En muchos aspectos, los fermiones se comportan de manera diferente de los Bosones. Los fermiones tienen una propiedad de que cada uno de ellos requiere su propio espacio: dos fermiones del mismo tipo no pueden estar en el mismo punto, y su movimiento está regido por ecuaciones tales que se evitan los unos a los otros. Curiosamente no se necesita ninguna fuerza para conseguir esto. De hecho, la fuerza entre los fermiones puede ser atractiva o repulsiva. El fenómeno por el cual cada fermión tiene que estar en un “estado” diferente se conoce como el Principio de exclusión de Pauli.

Cada átomo está rodeado por una nube de electrones, que son fermiones (espín ½). Si dos átomos se aproximan entre sí, los electrones se mueven de tal manera que las dos nubes se evitan una a otra, dando como resultado una fuerza repulsiva. Cuando alguno de nosotros aplaudimos, notamos que las manos no se traspasan la una a través de la otra. Esto es debido al principio de exclusión de Pauli para los electrones de nuestras manos.

En contraste con el individualismo de los fermiones, los Bosones se comportan colectivamente y les gusta colocarse todos en el mismo lugar. Un láser por ejemplo, produce un haz de luz en el cual muchísimos fotones llevan la misma longitud de onda y dirección de movimiento. Esto es posible porque los fotones son Bosones. Volveremos a encontrarnos con este carácter colectivo de las partículas con espín entero más adelante.

Hay otra regla de juego que nuestra familia de partículas elementales debe obedecer: cada partícula tiene su correspondiente antipartícula. Las partículas tienen el mismo espín y la misma masa que sus antipartículas, pero las cargas eléctricas y los números cuánticos B y L, son opuestos. Igual que los números llamados S (“extrañeza”) Ι₃ (“isoespín”) son todas opuestas. Por ejemplo, π+ y π- son antipartículas una de la otra, igual que Κ+y K¯. Por otra parte, Σ+ Y Σ- no son antipartículas entre sí (ambas tienen B=1 y sus masas tampoco son idénticas). Las partículas πº,  y el fotón, son excepciones a esta regla en el sentido de que son idénticas a sus propias antipartículas.

                                             Los Fermiones forman la materia y los Bosones transmiten las fuerzas

Igual que ocurre con las plantas y los animales los tipos de partículas observados fueron clasificados en especies y familias, además del fotón tenemos Leptones y Hadrones, y estos últimos (como digo al principio) se subdividen en mesones y bariones. Esta ordenación se basa en las diferentes clases de interacciones que se dan entre las partículas. Las tres clases de “interacciones” que encontraremos son: la “interacción fuerte”, la “interacción electromagnética”, y la “interacción débil”. Debo añadir que cuando hablamos de una “interacción” no nos referimos necesariamente a algo que modifique el movimiento de las partículas, sino a lo que hace que las partículas se alteren de alguna manera unas a otras, incluyendo el caso en el que intercambien su propia identidad. Las partículas pueden interaccionar entre sí a distancia, pero esto sucede porque intercambian una partícula a modo de mensajero. Estos mensajeros son los llamados “mediadores” de la interacción.

Debo admitir que ahora todo esto debe de sonar bastante misterioso. En términos matemáticos se puede describir mejor, un lamento que será frecuente, porque lo que he tratado de describir no son más que las consecuencias de un sistema de ecuaciones matemáticas. En su conjunto, las ecuaciones tienen mucho más sentido que mis palabras.

Habréis notado que no me he querido parar a describir los miembros de las distintas familias: Quarks, Leptones, Hadrones (Bariones y Mesones), así como los Bosones y los fermiones indicando, de manera detallada, sus nombres y respectivas masas, espines y demás propiedades, ya que, tal empresa, es lo que hizo decir a Fermi: “Si llego a saber que las partículas forman un auténtico zoológico, mejor me hubiera metido a botánico”.

Para finalizar el apunte, tengo que Aclarar que ésta pequeña reseña se ha puesto a solicitud de la profesora de un Instituto de Segundo Grado que, quería exponer el tema a sus alumnos y, me pidió esta colaboración.

Aquí se la dejo amiga, y, perdone si no he podido introducir más sencillez en la explicación que, como justifico por ahí arriba, está sacada de las ecuaciones matemáticas que es el verdadero lenguaje de la Física y, cuando hacemos la traducción al lenguaje ordinario, alguna esencia se pierde por el camino.

                                                            Todo está hecho de Quarks y Leptones

De todas las maneras, espero que le sea útil y quedo a su entera disposición para otras lecciones que a los chicos pueda interesar.

De la charla prometida para hablar de las Nebulosas y las Estrellas, será cuando ambos podamos acoplar nuestros respectivos compromisos y buscar el hueco adecuado. Si es posible, será un sábado por la mañana que a todos nos vendrá bien y, además, tendremos más tiempo para el coloquio posterior.

Ha sido un placer.

emilio silvera

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