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CIENCIA. Explicando las partículas fundamentales de la materia

Las partículas fundamentales llamadas quarks vienen en seis sabores diferentes. Los protones están formados por dos quarks arriba y uno abajo, mientras que los neutrones contienen dos quarks abajo y uno arriba. (Imagen: © MichaelTaylor | Shutterstock )
Las partículas elementales son los bloques de construcción más pequeños conocidos del universo. Se cree que no tienen una estructura interna, lo que significa que los investigadores piensan en ellos como 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 totales.
Los electrones son los componentes cargados negativamente de los átomosSi bien se cree que son partículas puntuales de dimensión cero, los electrones están rodeados por una nube de otras partículas virtuales que parpadean constantemente dentro y fuera de la existencia, que esencialmente actúan como parte del electrón mismo. Algunas teorías predicen que el electrón tiene un polo ligeramente positivo y un polo ligeramente negativo, lo que significa que esta nube de partículas virtuales debería ser un poco asimétrica.


Si este fuera el caso, los electrones podrían comportarse de manera diferente a sus dobles antimateria, positrones, lo que podría explicar muchos misterios sobre la materia y la antimateria . Pero los físicos han medido repetidamente la forma de un electrón y han descubierto que es perfectamente redondo, según sus conocimientos, dejándolos sin respuestas para los acertijos de la antimateria.
El electrón tiene dos primos más pesados, llamados muón y tauSe pueden crear muones cuando los rayos cósmicos de alta energía del espacio exterior golpean la parte superior de la atmósfera de la Tierra , generando una lluvia de partículas exóticas. Los Taus son aún más raros y difíciles de producir, ya que son más de 3.400 veces más pesados ​​que los electrones. Los neutrinos , electrones, muones y taus forman una categoría de partículas fundamentales llamadas leptones.

Quarks y su peculiaridad

Los Quarks, las partículas conocidas más pequeñas que forman protones y neutrones, son otro tipo de partícula fundamentalJunto con los leptones, los quarks componen las cosas que consideramos importantes.
Érase una vez, los científicos creían que los átomos eran los objetos más pequeños posiblesla palabra proviene del griego "atomos", que significa "indivisible". A principios del siglo XX, se demostró que los núcleos atómicos constaban de protones y neutrones. Luego, durante los años cincuenta y sesenta, los aceleradores de partículas revelaron un grupo de partículas subatómicas exóticas, como piones y kaons.
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, los neutrones y el resto del zoológico de partículas, según un informe histórico del Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC en California. Dentro de los protones y los neutrones residen pequeñas partículas llamadas quarks, que se presentan en seis tipos o sabores posibles : arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y parte superior.
Los protones están formados por dos quarks arriba y un quark abajo, mientras que los neutrones se componen de dos abajo y un arriba. Los quarks arriba y abajo son las variedades más ligeras. Debido a que las partículas más masivas tienden a descomponerse en las menos masivas, los quarks arriba y abajo también son los más comunes en el universo; por lo tanto, los protones y los neutrones constituyen la mayor parte de la materia que conocemos.
En 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 Fermilab National Accelerator Laboratory en Illinois encontraron el quark final, el quark top. Buscarlo había sido tan intenso como la búsqueda posterior del bosón de Higgs. El quark superior era muy difícil de producir porque es aproximadamente 100 billones de veces más pesado que los quarks, lo que significa que requería mucha más energía para generarlo en aceleradores de partículas.
Un diagrama muestra cómo los quarks generalmente encajan en nuestra comprensión de las partículas pequeñas. (Crédito de la imagen: udaix / Shutterstock)

Partículas fundamentales del universo

Luego están las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo, la gravedad y las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Cada uno de estos tiene una partícula fundamental asociada.
Los fotones son los más conocidos; Llevan la fuerza electromagnética. Los gluones llevan la fuerza nuclear fuerte y residen con quarks dentro de protones y neutrones. La fuerza débil, que media ciertas reacciones nucleares, es llevada por dos partículas fundamentales, los bosones W y Z. Los neutrinos, que solo sienten la fuerza y ​​la gravedad débiles, interactúan con estos bosones, por lo que los físicos pudieron primero proporcionar evidencia de su existencia utilizando neutrinos, según el CERN .
La gravedad es un extraño aquí. No está incorporado en el Modelo Estándar, aunque los físicos sospechan que podría tener una partícula fundamental asociada, que se llamaría gravitónSi existen gravitones, podría ser posible crearlos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Ginebra, Suiza, pero desaparecerían rápidamente en dimensiones adicionales, dejando una zona vacía donde habrían estado, según el CERNHasta 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 huellas de los muones se muestran en amarillo.(Fuente: 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 esfuerzan por completar su catálogo del Modelo Estándar. Cuando finalmente se encontró en 2012, los físicos se regocijaron, pero los resultados también los dejaron en una situación difícil.
El Higgs se ve exactamente como se esperaba, 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 señalar otras teorías que podrían reemplazar el Modelo Estándar. Pero hasta ahora, han quedado vacíos en esa búsqueda.

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