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9. Partículas elementales

Desde finales del siglo XIX a 1932, cuando James Chadwick descubrió el neutrón, se especuló sobre la estructura interna de los átomos hasta formular una teoría coherente que incluía protones y neutrones en el interior del núcleo del átomo y electrones situados alrededor de dicho núcleo. Así, con tres partículas elementales se pretendía explicar la estructura íntima del universo de manera general. La idea era que todos los átomos tenían esas tres partículas y, mediante la variación de su número total, se podían explicar los 92 elementos de la tabla periódica que se conocían por entonces.

Pero el panorama ha cambiado mucho desde los años 30 del siglo pasado hasta hoy. Por un lado, se pudieron hacer experimentos muy elaborados -usando grandes aceleradores de partículas- que demostraron que hay muchas otras partículas con propiedades muy diferentes a las del electrón, protón y neutrón. Por otro lado se iba desarrollando una teoría que intentaba explicar las propiedades de las partículas elementales, la llamada mecánica cuántica, que ha resultado ser uno de los logros más importantes de la física del siglo pasado porque explica, con toda la precisión con que somos capaces de medir, todos los experimentos de laboratorio, dando una descripción coherente de los constituyentes de la materia y de sus interacciones.

Una nueva rama de la mecánica cuántica (la cromodinámica cuántica) ha creado un modelo donde los protones y los neutrones (y otras partículas) son combinaciones de otras más pequeñas llamadas quarks. Los protones y los neutrones ya no son partículas fundamentales.

Finalmente diversos indicios apuntan a que las interacciones fundamentales (las fuerzas de la Naturaleza; ver Experimento 1 y el apartado de Física avanzada 5) se pueden considerar como cierto tipo de partículas que se trasladan llevando la interacción con ellas. Este modelo cambia el concepto clásico de fuerza, y el más moderno de deformación del espacio-tiempo, por el de partícula que interacciona.

En resumen, hoy tenemos una lista pequeña de partículas (pero no tan pequeña como en 1932) que, a principios del siglo XXI, nos da una visión general de la estructura fundamental de la materia y de todas las fuerzas que actúan sobre esa materia.

Veamos cuál es esa lista.

PROPIEDADES DE LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES

--La interacción electromagnética se transmite mediante fotones.

--La interacción débil mediante los transmisores W y Z.

--La interacción fuerte mediante los gluones.

--La interacción gravitatoria se transmite, según este esquema, mediante gravitones.

Sin embargo aún hay muchas incógnitas. La interrogación en la estabilidad de los neutrinos es sólo una de ellas. No se han podido detectar quarks individuales (sólo agrupados formando protones, neutrones, etc.). El gravitón es el más desconcertante. Su existencia es necesaria para completar la uniformidad de las leyes físicas, pero no se ha podido detectar nunca uno (aunque esto puede ser debido a que es muy difícil detectarlo, porque la gravedad es muy débil, y no a que no exista).

Esta Tabla es importante (aunque ahora no debemos preocuparnos por entender todo lo que está en ella -basta con que vayan sonándonos esos nombres tan raros-) porque intenta condensar todo lo que existe en el Universo: las partículas elementales que forman la materia y las fuerzas o interacciones entre ellas.

Vamos a fijarnos ahora sólo en la columna que pone spin. ¿Qué es eso? En inglés significa "girar", pero en física significa una cantidad que mide una propiedad intrínseca de cada partícula, relacionada con su giro y sus características magnéticas.

Miren en la Tabla y observen que las partículas que interaccionan tienen todas spin fraccionario e igual a ½. Las partículas transmisoras de interacciones lo tienen entero y vale 1, salvo para el gravitón que vale 2.

¿Señala esto un carácter especial al gravitón en esta visión del universo? Puede que sí.