A menudo se afirma que los antiguos griegos fueron los primeros en identificar objetos que no tienen tamaño, pero que son capaces de construir el mundo que nos rodea a través de sus interacciones. Y a medida que somos capaces de observar el mundo en detalles cada vez más pequeños a través de microscopios de potencia creciente, es natural preguntarse de qué están hechos estos objetos.

Creemos que hemos encontrado algunos de estos objetos: partículas subatómicas, o partículas fundamentales, que no tienen tamaño y no pueden tener subestructura. Ahora estamos tratando de explicar las propiedades de estas partículas y trabajando para mostrar cómo se pueden usar para explicar el contenido del universo.

Hay dos tipos de partículas fundamentales: partículas de materia, algunas de las cuales se combinan para producir el mundo que nos rodea, y partículas de fuerza, una de las cuales, el fotón, es responsable de la radiación electromagnética. Estos se clasifican en el modelo estándar de física de partículas, que teoriza cómo interactúan los bloques básicos de la materia, gobernados por fuerzas fundamentales. Las partículas de materia son fermiones, mientras que las partículas de fuerza son bosones.

Partículas de materia: quarks y leptones

Las partículas de materia se dividen en dos grupos: quarks y leptones – hay seis de estos, cada uno con un compañero correspondiente.

Los leptones se dividen en tres pares. Cada par tiene una partícula elemental con una carga y otra sin carga, una que es mucho más ligera y extremadamente difícil de detectar. El más ligero de estos pares es el electrón y el neutrino-electrón.

El electrón cargado es responsable de las corrientes eléctricas. Su compañero sin carga, conocido como el neutrino de electrones, se produce copiosamente en el sol y estos interactúan tan débilmente con su entorno que pasan sin obstáculos a través de la Tierra. Un millón de ellas pasan por cada centímetro cuadrado de tu cuerpo cada segundo, día y noche.

Los neutrinos de electrones se producen en cantidades inimaginables durante las explosiones de supernovas y son estas partículas las que dispersan los elementos producidos por la combustión nuclear en el universo. Estos elementos incluyen el carbono del que estamos hechos, el oxígeno que respiramos y casi todo lo demás en la tierra. Por lo tanto, a pesar de la renuencia de los neutrinos a interactuar con otras partículas fundamentales, son vitales para nuestra existencia. Los otros dos pares de neutrinos (llamados neutrino muón y muón, neutrino tau y tau) parecen ser versiones más pesadas del electrón.

Dado que la materia normal no contiene estas partículas, puede parecer que son una complicación innecesaria. Sin embargo, durante los primeros de uno a diez segundos del universo después del Big Bang, tuvieron un papel crucial que desempeñar en el establecimiento de la estructura del universo en el que vivimos, conocida como la Época de los Leptones.

Los seis quarks también se dividen en tres pares con nombres caprichosos: «arriba» con «abajo», «encanto» con «extraño» y «arriba» con «abajo» (anteriormente llamado «verdad» y «belleza», aunque lamentablemente cambió). Los quarks arriba y abajo se unen para formar los protones y neutrones que se encuentran en el corazón de cada átomo. De nuevo, solo el par de quarks más ligero se encuentra en la materia normal, los pares encanto/extraño y superior/inferior parecen no jugar ningún papel en el universo tal como existe ahora, pero, al igual que los leptones más pesados, jugaron un papel en los primeros momentos del universo y ayudaron a crear uno que es susceptible a nuestra existencia.

Partículas de fuerza

Hay seis partículas de fuerza en el modelo estándar, que crean las interacciones entre partículas de materia. Se dividen en cuatro fuerzas fundamentales: gravitacionales, electromagnéticas, fuertes y débiles.

Un fotón es una partícula de luz y es responsable de los campos eléctricos y magnéticos, creados por el intercambio de fotones de un objeto cargado a otro.

El gluón produce la fuerza responsable de mantener a los quarks juntos para formar protones y neutrones, y de mantener a esos protones y neutrones juntos para formar núcleos más pesados.

Tres partículas llamadas» W más»,» W menos «y» Z cero», conocidas como bosones vectores intermedios, son responsables del proceso de desintegración radiactiva y de los procesos en el sol que hacen que brille. Se cree que una sexta partícula de fuerza, el gravitón, es responsable de la gravitación, pero aún no se ha observado.

Antimateria: la realidad de ciencia ficción

También sabemos de la existencia de la antimateria. Este es un concepto muy querido por los escritores de ciencia ficción, pero realmente existe. Se han observado con frecuencia partículas antimateria. Por ejemplo, el positrón (la antipartícula del electrón) se usa en medicina para mapear nuestros órganos internos mediante tomografía por emisión de positrones (PET). Es famoso que cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se aniquilan entre sí y se produce una explosión de energía. Se utiliza un escáner de TEP para detectar esto.

Cada una de las partículas de materia de arriba tiene una partícula asociada que tiene la misma masa, pero carga eléctrica opuesta, por lo que podemos duplicar el número de partículas de materia (seis quarks y seis leptones) para llegar a un número final de 24.

Damos a los quarks de materia un número de + 1 y a los quarks de antimateria un valor de -1. Si sumamos el número de quarks de materia más el número de quarks de antimateria, obtenemos el número neto de quarks en el universo, esto nunca varía. Si tenemos suficiente energía, podemos crear cualquiera de los quarks de materia, siempre y cuando creemos un quark de antimateria al mismo tiempo. En los primeros momentos del universo, estas partículas se creaban continuamente, ahora solo se crean en las colisiones de rayos cósmicos con la atmósfera de planetas y estrellas.

El famoso bosón de Higgs

Hay una partícula final que completa la lista de partículas en lo que se conoce como el modelo estándar de física de partículas hasta ahora descrito. Es el Higgs, predicho por Peter Higgs hace 50 años, y cuyo descubrimiento en el CERN en 2012 llevó a un Premio Nobel para Higgs y Francois Englert.

El bosón de Higgs es una partícula extraña: es la segunda partícula más pesada del modelo estándar y resiste una explicación simple. A menudo se dice que es el origen de la masa, lo cual es cierto, pero engañoso. Da masa a los quarks, y los quarks forman los protones y neutrones, pero solo el 2% de la masa de protones y neutrones es proporcionada por los quarks, y el resto proviene de la energía en los gluones.

En este punto hemos contabilizado todas las partículas requeridas por el modelo estándar: seis partículas de fuerza, 24 partículas de materia y una partícula de Higgs, un total de 31 partículas fundamentales. A pesar de lo que sabemos sobre ellos, sus propiedades no se han medido lo suficientemente bien como para permitirnos decir definitivamente que estas partículas son todo lo que se necesita para construir el universo que vemos a nuestro alrededor, y ciertamente no tenemos todas las respuestas. La próxima carrera del Gran Colisionador de hadrones nos permitirá refinar nuestras mediciones de algunas de estas propiedades – pero hay algo más.

Sin embargo, la teoría sigue siendo incorrecta

La hermosa teoría, el modelo estándar, ha sido probada y re-probada durante más de dos décadas; y aún no hemos hecho una medición que esté en contradicción con nuestras predicciones. Pero sabemos que el modelo estándar debe estar equivocado. Cuando colisionamos dos partículas fundamentales juntas, es posible una serie de resultados. Nuestra teoría nos permite calcular la probabilidad de que un resultado en particular pueda ocurrir, pero a energías más allá de las cuales hemos logrado hasta ahora, predice que algunos de estos resultados ocurran con una probabilidad superior al 100%, claramente sin sentido.

Los físicos teóricos han invertido mucho esfuerzo en tratar de construir una teoría que da respuestas sensatas a todas las energías, mientras que da la misma respuesta que el modelo estándar en todas las circunstancias en las que el modelo estándar ha sido probado.

La modificación más común implica que hay partículas muy pesadas sin descubrir. El hecho de que sean pesados significa que se necesitará mucha energía para producirlos. Las propiedades de estas partículas adicionales se pueden elegir para asegurarse de que la teoría resultante dé respuestas sensatas a todas las energías, pero no tienen ningún efecto en las mediciones que concuerdan tan bien con el modelo estándar.

El número de estas partículas no descubiertas y aún no vistas depende de la teoría que elijas creer. La clase más popular de estas teorías se llama teorías supersimétricas e implican que todas las partículas que hemos visto tienen una contraparte mucho más pesada. Sin embargo, si son demasiado pesadas, surgirán problemas en las energías que podemos producir antes de que se encuentren estas partículas. Pero las energías que se alcanzarán en la próxima carrera del LHC son lo suficientemente altas como para que la ausencia de nuevas partículas sea un golpe para todas las teorías supersimétricas.