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PARTICULAS SUBATOMICAS

Una definición de objeto elemental es la de ser el último constituyente indivisible de la materia. La respuesta a la pregunta: ¿cuál es ese objeto?, ha variado históricamente.
En los siglos IV y V a.C., la teoría griega del atomismo, cuyos máximos exponentes fueron Leucipo y su discípulo Demócrito, introducía, sin base experimental, objetos idénticos e indivisibles llamados átomos. En los siglos XVIII y XIX, con el desarrollo de la Química, tenemos que para John Dalton existen 20 elementos formados por átomos. En 1897, J.J.Thomson (Universidad de Cambridge, Inglaterra), encuentra experimentalmente el electrón. En 1911, E.Rutherford (Universidad de Manchester, Inglaterra), en un experimento crucial, descubre que la carga positiva del átomo está concentrada en el núcleo, en torno al cual se mueven los electrones. En 1932 queda establecido que el núcleo está constituido por protones y neutrones. En la década de los sesenta se acepta que estos protones y neutrones dejen de ser elementales y estén constituidos por quarks.
Hoy en día ya han sido detectadas una gran cantidad de partículas de tamaño inferior al átomo, constituyendo lo que se ha denominado "un zoo de partículas". ¿Pero cuáles son las elementales?
Es muy importante que quede claro este concepto. Llamaremos partículas elementales a aquellas que no poseen estructura interna y, por lo tanto, no "albergan" dentro de ellas otras partículas "aún más elementales". Todas aquellas partículas de tamaño inferior al átomo, pero no elementales, las llamaremos subatómicas. Así, por ejemplo, el protón es una partícula subatómica, pero no elemental, ya que está constituida por tres quarks, como veremos más adelante. El hecho de llamarlas subatómicas no significa que formen parte del átomo: simplemente, que su tamaño es inferior al "diámetro" de un átomo "medio", es decir, un angström, 10 -8 cm.
Así, a una distancia de un angström, "vemos" que el átomo está constituido por los electrones y el núcleo, en el que no distinguimos sus constituyentes; a una distancia de 10 -13 (unidad denominada fermi, 1 fm = 10 -13 cm), reconocemos en el núcleo protones y neutrones; a una distancia de 10 -17 cm, discernimos los quarks como sus constituyentes elementales.
En general, podemos clasificar el "zoo de las partículas subatómicas" en cuatro grandes grupos:
a) Hadrones, que son aquellas que sufren las interacciones fuertes, como los protones y los neutrones. A su vez, los hadrones se dividen en bariones y mesones.
b) Leptones, que son aquellas que no intervienen en las interacciones fuertes, como el electrón. Son partículas elementales.
c) Cuantos mediadores de interacciones, como el fotón. Son partículas elementales.
d) Quarks, como el up. Son partículas elementales y hadrónicas.
Todas las partículas subatómicas conocidas poseen una propiedad nueva y fundamental que se conoce como su estadística, la cual es consecuencia directa del hecho de que son microscópicas. La propiedad de la estadística únicamente se manifiesta cuando se consideran sistemas de dos o más partículas, las cuales no están muy alejadas unas de otras y, además, son idénticas entre sí, es decir, tienen todas sus propiedades iguales (masa, spin, carga eléctrica, etc.). Atendiendo a su estadística, las que obedecen a la llamada estadística de Fermi, se les llama fermiones, y satisfacen el Principio de Exclusión de Pauli. A todas las demás, es decir, las que no son fermiones, se les denomina bosones, y se dice que verifican la estadística de Bose.
Si una partícula tiene spin semientero (s = 1/2, 3/2, 5/2, ....), se comporta como un fermión. Si una partícula posee spin entero (s = 0, 1, 2, ...), se comporta como un bosón.
Por otro lado, en 1930, Paul A. Dirac hizo, y justificó teóricamente, la hipótesis de que si existe una partícula elemental con masa "m", spin "s" y carga eléctrica "q", debe de existir necesariamente otra partícula, llamada antipartícula de la primera, con la misma masa y spin y carga eléctrica opuesta "-q". Esta hipótesis recibió su primera y rotunda confirmación experimental con el descubrimiento del positrón, que fue inmediatamente identificado como la antipartícula del electrón. Los muones + y - fueron identificados como antipartículas el uno del otro. Análogamente, los piones + y - constituyen un par partícula-antipartícula.
Si la partícula tiene carga eléctrica nula, coincidirá en algunos casos su antipartícula, como por ejemplo el fotón y el pión neutro, que tienen spin 1 y 0 respectivamente. En otros casos, la partícula y la antipartícula, siendo ambas eléctricamente neutras, son distintas entre sí, debido a la existencia de, al menos, una propiedad física nueva que las diferencia. Por ejemplo, este es el caso del neutrón y del antineutrón debido al número bariónico.
Según el Modelo Estándar, que como veremos más adelante es un modelo bastante aceptado por la comunidad de físicos teóricos, existirían 62 partículas elementales, suponiendo que el modelo no fuese "quiral", es decir, que no distinguiese entre partículas levógiras y dextrógiras. Estas 62 partículas serían las siguientes:
a) 18 quarks más 18 antiquarks (contando "sabores" y "colores"), spin igual a 1/2.
b) 6 leptones más 6 antileptones, spin igual a 1/2.
c) 13 cuantos o partículas mediadoras de interacciones: W+, W-, Zº, fotón, 8 gluones y gravitón.
d) partícula de Higgs.
Si se acepta el modelo "quiral", las tres familias o generaciones de leptones y quarks contendrían 30 partículas en cada generación. Las interacciones fuertes y electromagnéticas no distinguen entre levógiras y dextrógiras. Por lo tanto, el total de partículas elementales en este caso se elevaría a 104, siempre suponiendo que la hipotética partícula de Higgs fuese de un solo tipo. Obsérvese que los cuantos o partículas mediadoras de interacciones no tienen antipartículas.