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¿Qué son las partículas elementales?

Las partículas fundamentales llamadas quarks vienen en seis sabores diferentes. Los protones están formados por dos quarks ascendentes y uno descendente, mientras que los neutrones contienen dos quarks descendentes y uno superior.

Las partículas elementales son los bloques de construcción más pequeños conocidos del universo. Se cree que no tienen estructura interna, lo que significa que los investigadores las consideran puntos de dimensión cero que no ocupan espacio. Los electrones son probablemente las partículas elementales más familiares, pero el modelo estándar de física , que describe las interacciones de las partículas y casi todas las fuerzas, reconoce 10 partículas elementales en total.

Los electrones son los componentes cargados negativamente de los átomos. Si bien se cree que son partículas puntuales de dimensión cero, los electrones están rodeados por una nube de otras partículas virtuales que aparecen y desaparecen constantemente, que esencialmente actúan como parte del propio electrón.Algunas teorías han predicho que el electrón tiene un polo ligeramente positivo y un polo ligeramente negativo, lo que significa que esta nube de partículas virtuales debería ser, por tanto, un poco asimétrica.

Si este fuera el caso, los electrones podrían comportarse de manera diferente a sus dobles de antimateria, positrones, lo que podría explicar muchos misterios sobre materia y antimateria . Pero los físicos han medido repetidamente la forma de un electrón y han descubierto que es perfectamente redondo según su leal saber y entender, dejándolos sin respuestas para los enigmas de la antimateria.

El electrón tiene dos primos más pesados, llamados muón y tau. Los muones se pueden crear cuando los rayos cósmicos de alta energía provienen del espacio exterior golpea la parte superior de la atmósfera de la Tierra , generando una lluvia de partículas exóticas. Los Taus son aún más raros y más difíciles de producir, ya que son más de 3.400 veces más pesados ​​que los electrones. neutrinos , los electrones, muones y taus forman una categoría de partículas fundamentales llamadas leptones.

Quarks y su peculiaridad

Los quarks, que forman los protones y los neutrones, son otro tipo de partícula fundamental. Junto con los leptones, los quarks forman la sustancia que consideramos materia.

Érase una vez, los científicos creían que los átomos eran los objetos más pequeños posibles ; la palabra proviene del griego "atomos", que significa "indivisible". Hacia fines del siglo XX, se demostró que los núcleos atómicos estaban formados por protones y neutrones. Luego, durante las décadas de 1950 y 1960, los aceleradores de partículas siguieron revelando ungrupo de partículas subatómicas exóticas, como piones y kaones.

En 1964, los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron de forma independiente un modelo que podría explicar el funcionamiento interno de los protones, neutrones y el resto del zoológico de partículas, según un informe histórico del Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC en California. Dentro de los protones y neutrones hay partículas diminutas llamadas quarks, que entran seis tipos o sabores posibles : arriba, abajo, extraño, encanto, abajo y arriba.

Los protones se componen de dos quarks up y un quark down, mientras que los neutrones se componen de dos quarks up y up. Los quarks up y down son las variedades más ligeras. Debido a que las partículas más masivas tienden a descomponerse en otras menos masivas, las upy los quarks descendentes son también los más comunes en el universo; por lo tanto, los protones y neutrones constituyen la mayor parte de la materia que conocemos.

Para 1977, los físicos habían aislado cinco de los seis quarks en el laboratorio - arriba, abajo, extraño, encanto y fondo - pero no fue hasta 1995 que los investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermilab en Illinois encontraron el quark final, elquark. Buscarlo había sido tan intenso como la búsqueda posterior del bosón de Higgs. El quark top fue tan difícil de producir porque se trata de 100 billones de veces más pesado que los quarks up , lo que significa que se requería mucha más energía para producir en aceleradores de partículas.

Un diagrama muestra cómo los quarks suelen encajar en nuestra comprensión de las partículas diminutas. Crédito de la imagen: udaix / Shutterstock

partículas fundamentales de la naturaleza

Luego están las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: electromagnetismo, gravedad y las fuerzas nucleares fuerte y débil. Cada una de ellas tiene una partícula fundamental asociada.

Los fotones son los más conocidos; transportan la fuerza electromagnética. Los gluones transportan la fuerza nuclear fuerte y residen en los quarks dentro de los protones y neutrones. La fuerza débil, que media ciertas reacciones nucleares, es transportada por dos partículas fundamentales, laBosones W y Z. Los neutrinos, que solo sienten la fuerza débil y la gravedad, interactúan con estos bosones, por lo que los físicos pudieron primero proporcionar evidencia de su existencia usando neutrinos según CERN .

La gravedad es un extraño aquí. No está incorporada en el Modelo Estándar, aunque los físicos sospechan que podría tener una partícula fundamental asociada, que se llamaría gravitón. Si existen gravitones, podría ser posible crearlos en elGran Colisionador de Hadrones LHC en Ginebra, Suiza, pero desaparecerían rápidamente en dimensiones adicionales, dejando atrás una zona vacía donde habrían estado según CERN . Hasta ahora, el LHC no ha visto evidencia de gravitones o dimensiones adicionales.

Simulación que muestra la producción del bosón de Higgs en la colisión de dos protones en el Gran Colisionador de Hadrones. El bosón de Higgs se descompone rápidamente en cuatro muones, que son un tipo de electrón pesado que no es absorbido por el detector. Las pistas delLos muones se muestran en amarillo. Crédito de la imagen: Lucas Taylor / CMS

El esquivo bosón de Higgs

Finalmente, está el bosón de Higgs, el rey de las partículas elementales, que es responsable de dar a todas las demás partículas su masa. La caza del Higgs fue un esfuerzo importante para los científicos que se esforzaban por completar su catálogo del Modelo Estándar.Higgs fue finalmente descubierto, en 2012 , los físicos se regocijaron, pero los resultados también los han dejado en una situación difícil.

El Higgs se ve casi exactamente como se predijo, pero los científicos esperaban más. Se sabe que el Modelo Estándar es incompleto; por ejemplo, carece de una descripción de la gravedad, y los investigadores pensaron que encontrar el Higgs ayudaría a señalara otras teorías que podrían reemplazar al modelo estándar. Pero hasta ahora, han salido vacíos en esa búsqueda.

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