Neutrino, what’s next? — Organizando partículas 2

Ilustración de Raquel Garcia Uldemollins (http://mati.naukas.com/2013/10/01/27-kilometros-para-entender-la-masa/)

Seguimos con la clasificación de las partículas elementales. Ya vimos en las entrada anterior de esta serie la clasificación establecida en términos del espín de las partículas.  Ahora nos toca clasificar las partículas bajo otro criterio, las interacciones que sienten y generan.

Para describir partículas y sus interacciones hay que recurrir a la teoría cuántica de campos.  Sin duda alguna, esta teoría es muy elaborada tanto desde el punto de vista físico como desde el punto de vista matemático.  Sin embargo, se puede entender algunas de sus particularidades sin necesidad de meternos en berengenales.  Espero ser capaz de transmitir la preciosa imagen que nos proporciona esta teoría.

Esta entrada es la continuación de:

Neutrino History, what’s next? — ¿Neutrinos?

Neutrino History, what’s next? — Organizando partículas 1

Las interacciones entre partículas

Las partículas se pueden relacionar de diferentes formas conocidas como interacciones.  En la física que nos rodea hay cuatro interacciones que hemos sido capaces de describir y parece que no hay más, por el momento.

Las partículas pueden interactuar bajo una o bajo varias interacciones.  Las propiedades que hacen a dichas partículas sensibles a sentir y generar una interacción se denominan genéricamente «carga». Así pues cada interacción tiene una carga asociada.

Las interacciones conocidas hasta la fecha son:

1. La gravedad —  Interacción universal cuya carga es la energía. Dado que todo en física tiene energía, todo siente y genera gravedad.  Seguramente tenemos en la cabeza que es la masa lo que genera y siente la gravedad, pero eso solo es la mitad de la historia. La carga gravitatoria es la energía en general y sabemos que la masa no es más que una forma de energía.  Es una interacción que usualmente es atractiva, y digo usualmente porque sabemos que existen tipos de energía, la energía oscura, que tiene un efecto gravitatorio repulsivo.
2. El electromagnetismo — Esta interacción es debida a las cargas eléctricas.  Las partículas que sienten y generan la interacción electromagnética se dicen que tiene carga eléctrica.  La carga eléctrica se divide en dos tipos, positivas y negativas, aparte del valor que tenga.  Por supuesto hay partículas neutras, sin carga, que por tanto no sienten esta interacción.  También entendemos esta interacción en términos de atracciones y repulsiones.
3. Interacción fuerte — Sin duda, la interacción que domina en el núcleo atómico.  Es una interacción que está asociada a una carga denominada color.  El color, que es un nombre inventado porque los que hacen ciencia son muy inventivos, es una carga que existe en tres variedades denominadas rojo, verde y azul. Es una interacción atractiva de muy alta intensidad pero de muy corto alcance. Solo opera a niveles nucleares y subnucleares.  De hecho, es una interacción que disminuye cuanto es menor la distancia entre las partículas con carga de color y aumenta mucho si intentamos separar dichas partículas coloreadas.
4. Interacción débil — Posiblemente la interacción más loca de todas, esta interacción no se entiende como atracciones o repulsiones como estamos acostumbrados. Esta interacción se encarga de cambiar unas partículas en otras, literalmente, una partícula de un tipo se convierte en una partícula de otro tipo.  Lo mejor de todo, la carga de la interacción débil no es otra cosa que el tipo de partícula, a los tipos de partículas se denominan sabores. Por lo tanto, todas las partículas la sienten y la generan.

En el campo de las partículas elementales la gravedad es tan poco intensa que no se considera.  Además todas las interacciones no gravitatorias las hemos podido describir en términos cuánticos, la gravedad aún no se ha dejado. La teoría de la gravedad cuántica sigue siendo un problema abierto en física.

Clasificación según las interacciones no gravitatorias

Los quarks

Los quarks son fermiones.

Los quarks tienen carga de color, por tanto sienten la interacción fuerte.

Los quarks vienen en distintos tipos, sabores, up, down, charm, strange, top y bottom.  Por lo tanto sienten la interacción débil.

Los quarks tienen carga eléctrica así que también sienten la interacción electromagnética.

Los leptones

Se denominan leptones a todas aquellas partículas fermiónicas que no tienen carga de color y por lo tanto no sienten la interacción fuerte.

Los leptones que tienen carga eléctrica son el electrón, el muón y el tau.  Estos sienten la interacción electromagnética.

Los leptones sin carga eléctrica, que no sienten la interacción electromagnética, son los neutrinos.

Los sabores de los leptones son electrón y neutrino electrónico, muón y neutrino muónico y tau y neutrino tauónico. La interacción débil opera entre ellos.

La interacción débil es la única que es capaz de comunicar a quarks y leptones.  Al cambiar una partícula de un tipo en otro, por ejemplo un quark down en un quark up, involucran (aparecen) otras partículas asociadas, en el ejemplo leptones y neutrinos.

Las interacciones según la cuántica

Como sois muy sagaces os habréis percatado que hemos dejado de lado a los bosones en esta historia.  No lo hemos hecho porque le tengamos especial inquina, todo lo contrario, es porque los bosones son los mensajeros de las interacciones.

Según la cuántica una interacción se da por un proceso asombroso, las partículas literalmente crean bosones que están asociados a una determinada interacción:

1. Los fotones están asociados a la interacción electromagnética.
2. Los gluones están asociados a la interacción fuerte.
3. Los bosones W y Z están asociados a la interacción débil.

Por lo tanto, las partículas con carga eléctrica son capaces de intercambiar fotones y es dicho intercambio el que produce las interacciones atractivas y repulsivas.  Y así con todas las interacciones.

Repulsión entre dos partículas cargadas por intercambio de fotones.

El intercambio de gluones entre tres quarks. En cada intercambio cambia el color del quark. 

Ya hemos acabado de clasificar las partículas. A partir de la siguiente entrada nos centraremos en los protagonistas de nuestra historia, los neutrinos.

Nos seguimos leyendo…