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17 PARTICULAS ELEMENTALES PARTICULAS DE MATERIA: Quarks y Leptones

PARTICULAS DE FUERZA: Fotón, Gluon, Bosón Vectorial W y Z

1.- PARTÍCULAS ELEMENTALES. Se llaman partículas elementales aquellas que no tienen estructura interna conocida. Hoy en día se conocen como partículas elementales a los protones, los neutrones y los electrones, sin embargo, no son tan elementales, se sabe que, al menos, los protones y los neutrones están compuestos por Quarks.Solo cuatro partículas fundamentales bastaron para formar la tierra: El Quark “U “, con carga eléctrica +2/3 y el Quark “D “, con carga eléctrica -1/3, un electrón (-1) y su camarada el neutrino electrónico.Tenemos 12 partículas de materia: quarks y leptones y cuatro partículas de fuerza (fotón, gluon, bosón vectorial W y Z) Queda por descubrir una partícula exótica, un curioso objeto conocido como bosón de Higgs, al margen del quark “t” (descubierto en 1994. En conjunto hay 17 partículas elementales.Hasta la fecha, ni los Quarks, ni los neutrinos, ni los electrones, han manifestado el menor indicio de poseer estructura interna.Las partículas con tres quarks “u” o tres quarks “d”, son de vida muy breve y se las ha detectado en el laboratorio.Las 17 partículas conocidas puedo clasificarlas en FERMIONES o partículas de materia (protones, neutrones, electrones y quarks) y los BOSONES o partículas de fuerza (fotones, gluones y partículas W y Z).Estos bosones transportan la fuerza electromagnética, la fuerza fuerte y la fuerza débil, que gobiernan las interacciones entre los fermiones.

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2.- FERMIONES: LAS 17 partículas conocidas pueden clasificarse en fermiones y bosones. Los fermiones son partículas de spin semi-entero, que obedecen a la estadística de Fermi-Dirac y que se rigen por el principio de exclusión de Pauli que reza así: Dos fermiones no pueden comportarse del mismo modo, al mismo tiempo. La palabra estadística se denomina aquí al comportamiento de un nutrido número de partículas idénticas.

3.- HADRON. Es cualquiera de las partículas que interaccionan mediante la fuerza fuerte. A comienzos de los 60s se habían visto más de 100 hadrones relacionados con los protones y neutrones .Es pues el hadrón una partícula sometida a la fuerza nuclear.Las partículas que se creen compuestas por quarks constituyen la clase de los hadrones, estas son las únicas partículas que interactúan mediante la fuerza fuerte, la que cohesiona a estas para formar núcleos atómicos. Los hadrones parecen compuestos, tienen un tamaño mensurable de 10-13 cm .Todos los hadrones son inestables en solitario, excepto el protón y su antipartícula, se desintegran en partículas estables como protones, electrones, neutrinos o fotones.Los hadrones se dividen a su vez en tres familias: BARIONES, ANTIBARIONES Y MESONES.Los Hadrones se organizan en pequeñas familias denominadas multipletes de carga o de spin isotópico. Cada multiplete consta de partículas que tienen más o menos la misma masa y las mismas propiedades restantes, excepto, la carga eléctrica .Los multipletes se componen de 1, 2, 3, 4 miembros . Protón-neutrón, forman un multiplete dual (doblete) los dos se consideran manifestaciones de un único estado de la materia, el nucleón.

4.- BARION. ES EL HADRON QUE CUMPLE EL PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI QUE REZA ASÍ: DOS PARTÍCULAS DE ESTA CLASE, NO PUEDEN COMPORTARSE DEL MISMO MODO, AL MISMO TIEMPO.Los bariones están compuestos por tres quarks, es el caso del protón y el neutrón.Los bariones no pueden crearse, ni destruirse, solo aparecen en pares barión-antibarión.

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El número cuántico se denomina bariónico , en los bariones es +1 y en los antibariones -1, en los mesones es 0 . Sea cual fuere la interacción, la suma de los números bariónicos, no cambia. Mediante el número bariónico distinguimos los bariones de los mesones, pero no dice nada acerca de las propiedades de las partículas.El momento angular o spin , que habla de estados de rotación, si es una distinción más sustancial.Los bariones son partículas cuyo spin se mide en unidades semienteras (½ ,3/2).Los mesones tienen valores enteros de spin como 0 y 1 .La diferencia de momento angular o spin tiene importantes consecuencias para el comportamiento de las dos clases de hadrones. Las partículas con Spin entero se dice que obedecen a la estadística de BOSE-EINSTEIN (son los BOSONES).

Condensado de Bose-Einstein Esta nueva forma de la materia fue obtenida .

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Las partículas de spin semientero obedecen a la estadística de FERMI-DIRAC (son FERMIONES) LA PALABRA ESTADÍSTICA SE DENOMINA AQUÍ AL COMPORTAMIENTO DE UN NUTRIDO NUMERO DE PARTÍCULAS IDENTICAS.EN LA ESTADISTICA DE BOSE-

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EINSTEIN NO EXISTE EL PPIO DE EXCLUSION DE PAULI QUE RIGE LARA LOS FERMIONES. EL NÚMERO BARIONICO DE UN PROTON ES 1 Y EL DE UN MESON O UN LEPTON ES 0.

5.- ANTIBARION: antipartícula del barión. Los bariones no pueden crearse , ni destruirse , solo aparecen en pares: barión-antibarión. El número cuántico de los bariones es +1 y de los antibariones -1.

6.-MESONES. Los mesones explican el funcionamiento de las fuerzas que mantienen unidos a los protones y neutrones. La variedad más ligera del mesón se llama PIÓN y se produce en los choques de nucleones. El mesón es una de las tres clases de hadrones y esta compuesto por un quark y un antiquark. podriamos decir de manera figurada que el mesón es como el pegante de los protones ; lo que impide que los protones se rechacen dentro del núcleo.

7.- NUCLEON : Son los componentes básicos de todos los núcleos conocidos .Las partículas nucleares observables se dan en una de estas variedades y solo en estas: BARIONES : protones y neutrones. (cada uno compuesto por tres quarks) . ANTIBARIONES: cada uno compuesto por tres antiquarks. MESONES: cada uno compuesto por un quark y un antiquark.Cada nucleón consiste de tres partones (quarks) puntiformes, estrechamente unidos.El núcleo atómico está compuesto de partículas básicas llamadas nucleones. Hay dos clases de nucleones: protones y neutrones. Los protones son núcleos de átomos sencillos. Los neutrones son partículas inestables, que pueden sobrevivir pero en el interior del núcleo. Como las cargas eléctricas contrarias se atraen, el protón se combina con el electrón, para formar un átomo de hidrógeno.

8.-PROTON: Es una partícula de carga positiva que se encuentra en el núcleo del átomo .El protón está compuesto por dos Quarks (un quark “d” y dos quark “u “. Su composición se escribe uud. su carga es igual a +1, su número bariónico es +1 y su espín +1/2 . El protón es una partícula muy estable y tarda 1031 años en desintegrarse. La carga positiva del núcleo se debe a los protones y la carga

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nuclear es igual a la suma de los protones presentes en el núcleo. Los protones se encuentran confinados en el núcleo gracias a la acción de los mesones.

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9.- NEUTRON: también, está en el núcleo y por este motivo se llama nucleón. Si se lo aísla se desintegra rápidamente emitiendo un antineutrino y un electrón y convirtiéndose en protón. Los neutrones solo son estables confinados en el núcleo. Protón y neutrón, forman un multiplete dual (doblete), los dos se consideran manifestaciones de un único estado de la materia, el nucleón. El neutrón está compuesto por tres quarks (2 quarks d y un quark u) Su carga es 0.

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10.- QUARKS.

Son partículas puntiformes, sin oscilaciones con el núcleo, átomo y nucleones.

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Se conocen 6 clases o sabores de Quarks: d, u, s, c, b,t y cada clase de quark se da en tres variedades o colores (Blanco, rojo y azul -) .Los tres colores desempeñan un papel semejante a la carga eléctrica en electrodinámica.Los Quark u y d forman un doblete con Spin isotópico, son constituyentes fundamentales de la materia nuclear, tienen casi la misma masa y son identicos, en cuanto a las demás propiedades, menos en la carga eléctrica , pues el Quark u tiene carga +2/3 , mientras el quark d tiene carga -1/3 . La carga media del doblete es + 1/6. Los otros quarks no son constituyentes esenciales de la materia nuclear, son mucho más pesados y se desintegran en quarks más ligeros, en virtud de las interacciones débiles . El quark “s” es un primo pesado del “d”, pero no es componente esencial de la corteza terrestre. Los Quarks, son los constituyentes de los hadrones, que a su vez son partículas que interactúan mediante la fuerza fuerte. La interacción fuerte que interacciona los Quarks en hadrones, es según creemos una interacción en que los tres colores desempeñan un papel semejante al de la carga eléctrica. La fuerza del color son las que cohesionan los quarks en las partículas .El gluon es el término que describe la

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fuerza del color, cuando se comporta como partícula (del mismo modo que el fotón es la fuerza electromagnética cuando se comporta como partícula).Solo dos quarks u y d, bastan para explicar la estructura de todos los hadrones encontrados en la materia corriente. Los quark u y d se ligan entre sí para constituir tríadas que forman nucleones.La actual teoría sostiene que los quarks no pueden darse aislados, solo existen como partes de un todo y no como partículas por derecho propio.Se sabe que la naturaleza utiliza tres especies de quark (u, d, s) que a su vez se dan en tres colores.A los quark se les exige que tengan propiedades más bien raras, la principal es la carga eléctrica. Todas las partículas observadas tienen múltiplos enteros de la carga del electrón, pero la carga de los quarks han de ser fraccionarias a la carga del electrón.Los hadrones están ineludiblemente compuestos por tres quarks.La teoría GAUGE del color, postula la existencia de 8 partículas sin masa llamada gluones, que son portadores de la fuerza fuerte, tal como el fotón es portador de la fuerza electromagnética.

11-GLUONES.

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La teoría de la fuerza fuerte, se desarrolló en los años 70 y se la conoce como cromodinámica cuántica QCD.La fuerza fuerte mantiene juntos a los quarks para formar neutrones y protones y está mediatizada por una clase de partícula llamada GLUÓN. En forma más doméstica podemos decir que el GLUÓN es el pegante de los quarks, tanto en el protón como en el neutrón. más científicamente decimos que el GLUÓN es la manifestación de la fuerza fuerte pero en forma de partícula . Los quarks pueden emitir y absorber gluones. Los gluones no pueden darse aislados, su reino existencial está confinado al interior de las partículas elementales .Los tres quarks que integran un protón o un neutrón tienen cada uno una especie de carga diferente que permite que se mantengan unidos , esta especie de carga se llama COLOR. Entonces, la fuerza del color es la que cohesiona los quark en las partículas. EL GLUON es la palabra que describe la fuerza del color, cuando se comporta como partícula. La fuerza nuclear se considera una simple manifestación indirecta, de una fuerza más básica, la fuerza del color que es responsable del confinamiento y esclavitud eterno de los quarks.

12-LOS LEPTONES.

Son partículas extranucleares. Comprenden: los electrones y su neutrino electrónico, el muon y su neutrino muónico y el tauon y su neutrino tauónico.El electrón tiene carga -1 y el neutrino tiene carga 0Quark y leptones son partículas puntiformes, sin oscilaciones como los átomos, núcleos y nucleones.Los leptones son partículas inmunes a la fuerza nuclear.Como el electrón y el muon tienen carga eléctrica sienten la fuerza electromagnética. Los leptones son partículas elementales o sea que no se les conoce estructura interna alguna . Los leptones no están compuestos por quarksLOS QUARKS Y LOS LEPTONES SON LOS LADRILLOS BÁSICOS DE LA MATERIA.Los leptones no tienen color, ni los afecta las interacciones cromodinámicas. Los leptones tienen carga eléctrica y por eso interactúan electromagnéticamente.( el muon es un primo pesado del electrón . Pesa 206 veces más que el electrón. El leptón Tau es otro primo del electrón y pesa 17 veces más que el muon)

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Cada uno de estos tres leptones cargados, está asociado a un leptón descargado que le es propio y que se denomina neutrino.

Existen tres categorías de partículas: quarks, leptones y bosones.

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13-ELECTRON. Es una partícula elemental, cuya carga es -1 ( igual que la del protón pero de sentido contrario) se lo clasifica como leptón por no estar constituido por quarks. Es inmune a la fuerza fuerte o fuerza del color, por no ser un barión o partícula nuclear. Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas estacionarias

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con energía cuantizada. Su masa se considera despreciable, pero las propiedades de todas las sustancias dependen de los electrones, sobretodo de los electrones del último nivel de energía.

14- NEUTRINOS.

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No forman parte de la materia, pero desempeñan un papel fundamental en una de las tres formas de radiactividad natural, llamada DESINTEGRACION BETA O PROCESO BETA.En el proceso beta los protones y neutrones intercambian de identidad El proceso beta es un mecanismo esencial para la fusión del hidrógeno en núcleos más pesados, operación que tiene lugar en el interior de las estrellas. EL PROCESO BETA ES CRUCIAL PARA LA VIDA EN LA TIERRA, YA QUE LOS RAYOS DEL SOL SE

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PRODUCEN POR FUSION NUCLEAR Y ESTO NO SERÍA POSIBLE SIN LA PRESENCIA DE LOS NEUTRINOS.SIN NEUTRINO ELECTRÓNICO, LA TIERRA SERÍA UNA BOLA DE HIDRÓGENO CONGELADO.El neutrino no es un constituyente atómico, pero su papel es vital en la desintegración beta. En el universo primitivo la desintegración beta posibilitó la síntesis de núcleos muy pesados a partir de hidrógeno primordial.La desintegración beta permite que el sol haga funcionar su caldera nuclear y caliente la tierra El neutrino es una clase de leptón, libre de las fuerzas eléctrica y nuclear. Los neutrinos no sienten la fuerza electromagnética, ni la fuerza fuerte, pero interactúan debido a una fuerza especial llamada LA FUERZA DÉBIL(QUE ES LA ENCARGADA DE DESINTEGAR LOS NÚCLEOS) .Los rayos cósmicos al chocar con los núcleos de la atmósfera, se convierten en una fuente de neutrinos.Las explosiones de las estrellas son otra fuente de neutrinos. El sol es una fuente potente de neutrinos, en cambio la tierra es una débil fuente de antineutrinos.Los neutrinos se producen en cualquier proceso que forme núcleos grandes concentrando otros más pequeños (en el sol 4 núcleos de hidrógeno se funden y forman uno de helio y una gran cantidad de energía)La radiactividad y las termonucleares, son fuentes de antineutrinos debido a que allí se produce el proceso contrario, es decir, la fisión; que consiste en escindir núcleos grandes en otros más pequeños. Se cree que los neutrinos son partículas sin masa .El neutrino atraviesa el sol tranquilamente hasta su superficie y sale en forma de luz. Alrededor del 10% de la energía solar sale en forma de neutrinos, muchos millones de los cuales nos traspasan el cuerpo, durante el día y la noche sin dañarnos. Gracias a que los neutrinos no tienen masa y son ajenos a la fuerza electromagnética y a las interacciones fuertes, son semejantes a fantasmas que pueden recorrer kilómetros y kilómetros sin chocar con nada. LOS NEUTRINOS PARECEN SER LA FORMA DE MATERIA DOMINANTE EN EL UNIVERSO.

15-PARTÍCULAS DE FUERZA.

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Tenemos cuatro partículas de fuerza: GLUONES que mediatizan la fuerza fuerte, es decir la fuerza entre los quarks para formar neutrones y protones . La fuerza fuerte también se la llama fuerza del color, que son las fuerzas que cohesionan los quarks en las partículas .La fuerza entre los quarks está mediatizada por una serie de campos gluónicos, semejante al campo fotónico de la electrodinámica. Quarks y gluones están permanentemente confinados en los hadrones. No hay posibilidad de ver nunca aislados ni los quarks, ni los gluones.

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LOS FOTONES:

EMITIENDO FOTONES DE LUZ.

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Los fotones son partículas de luz visible. Cada fotón lleva energía de varios

electronvoltios. Es el agente que mediatiza la fuerza electromagnética. La luz se

comporta como partícula cuando se golpea un átomo y hace que salga expulsado un

electrón; esta partícula de luz se denomina fotón. La fuerza electromagnética que

liga a un electrón al núcleo correspondiente, puede concebirse como un

intercambio continuo de fotones entre ambos cuerpos; decimos entonces, que la

fuerza electromagnética está mediatizada por los fotones. El fotón es la fuerza

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electromagnética cuando se comporta como partícula, más que como onda. El fotón

es portador de la fuerza electromagnética, pertenece a una categoría aparte, no es

ni hadrón, ni leptón mediatizan la fuerza electromagnética; podemos decir que el

fotón es la fuerza electromagnética cuando aparece en forma de partícula. Las

fuerzas las transportan cientos de partículas especiales. Los fotones son las

partículas mediadoras de una fuerza llamada electromagnetismo. En nosotros, lo

que desempeña un papel fundamental es el electromagnetismo. Todo lo que

captamos por los sentidos es consecuencia indirecta de la estructura eléctrica

subyacente de la materia. El electromagnetismo es la fuerza que retiene a los

electrones cerca a los núcleos. La que liga a los electrones es la electrodinámica. La

fuerza que se establece entre dos partículas cargadas, puede considerarse originada

por el intercambio de fotones. En el caso de las interacciones fuertes los gluones

son los mediadores. A diferencia de los fotones, los gluones, lo mismo que los

quarks no pueden verse debido a su color (especie de carga eléctrica). La partícula

que hace de mediadora de las interacciones débiles, se llama vector vectorial

intermediario o partícula W ó Z.

BOSONES VECTORIALES “W “ y “Z “:

bosones W

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mediatizan la fuerza débil, que es la fuerza que desintegra a los núcleos . Es la fuerza que permite el cambio de identidad de los neutrones y protones. Si la fuerza del color cohesiona el núcleo, la débil puede descomponerlo. las interacciones nucleares débiles son las responsables del proceso de desintegración nuclear beta, o sea cuando un neutrón se desintegra en tres partículas estables.Las fuerzas las transportan cientos de partículas especiales.La fuerza débil es la que hace que ciertas partículas se desintegren y pierdan identidad .La fuerza débil es un rasgo fundamental de los núcleos atómicos radiactivos, cuando contienen demasiados protones o neutrones, estos núcleos buscan un estado de equilibrio que consiguen conforme se desintegran algunas de sus partículas , expulsan leptones y cierta cantidad de energía y cambian de identidad. Gracias a la fuerza débil el sol desintegra átomos de hidrógeno para convertirlos en Helio y generar gran cantidad de energía .Los portadores de la fuerza débil, son partículas observables denominadas BOSONES VECTORIALES INTERMEDIARIOS, con masas 100 veces mayor que la del protón.LA GRAVEDAD. Es la fuerza que rige a los objetos mayores. Decisiva para la tierra, el sistema solar, las estrellas y galaxias. También es importante para la física de lo muy pequeño y lo muy grande. Los físicos conocen en la actualidad 4 fuerzas fundamentales, la gravedad es quizá la más vulgarizada. La gravedad no tiene un efecto apreciable sobre las partículas elementales. La partícula que mediatiza la

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fuerza de gravedad se llama GRAVITÓN. Es pues el gravitón el agente de fuerza gravitacional.

MARIO RODAS DUQUE. ABRIL DEL 2012.