Fermiones y bosones - Partículas realmente elementales

Cuando pensamos en las propiedades fundamentales de las partículas microscópicas, subatómicas, específicamente las partículas elementales, yo me imagino algo como diminutas pelotitas de cierto tamaño, que pueden moverse, y sin pensarlo mucho, diría que deben poseer masa, ya que las considero principalmente como partículas de materia, aunque muchísimo menos que millonésimas de millonésimas de millonésimas  de kilogramo 

Quizás ya desde la escuela podemos asignarles algunas otras propiedades a esas partículas, como carga eléctrica (positiva, negativa o nula) y si tenemos suerte en el colegio, o en la universidad, al menos escuchamos sobre la propiedad denominada spin y alguna otra.

Ahora, desde la infancia, la televisión de seguro puso en contacto a nuestros hijos con una ¡partícula sin masa!, el fotón, que por ese hecho se mueve a la velocidad de la luz (c). No tiene carga eléctrica, pero si energía y cantidad de movimiento, dos propiedades que desde el colegio asociamos con masa y velocidad. Y para complicarnos más la vida, a veces su comportamiento puede explicarse mejor como si fuera una onda (fisica1011tutor.blogspot.com/luz-onda-o-partícula).

Ya desde 1905, Albert Einstein nos enseño la equivalencia entra masa y energía, por medio de la relación E = mc², así que masa y energía son como dos caras de la misma moneda; kilogramos (kg) y joules (J), pueden convertirse matemáticamente uno en el otro, por medio de la ecuación anterior y en la realidad en un reactor nuclear o un acelerador de partículas, como el de Fermilab.

Desde que el ser humano descubrió el fuego comenzó a convertir materia en energía y en los últimos 60 años los físicos han aprendido que si se dispone de grandes cantidades energía se puede producir todo un zoológico de partículas (y antipartículas), incluyendo las que nos interesan por ahora, las partículas elementales con masa (quark, electrón, muón, tauón, neutrino) o sin masa (fotón, gluón, W, Z y ...), como ocurre en las estrellas, o como ocurrió al inicio del universo, de acuerdo con la explicación que llamamos Big Bang. 

Reproducir esas condiciones en un laboratorio, de manera controlada, es uno de los propósitos de las investigaciones que se realizan en CERN y en otros sitios con aceleradores de partículas. La tarea no es simple, pero tiene la ventaja de que no requiere viajar a una estrella, ni al singular y único momento del inició el universo. Las condiciones se pueden repetir miles de millones de veces en un laboratorio.

Así que, de los electrones, protones y neutrones que nuestros nietos están comenzando a estudiar en la escuela (-eso espero-), solo el electrón ha permanecido como una partícula elemental (no tiene una subestructura).
Se ha descubierto que las otras dos están compuestas por dos tipos de quark,que sí son partículas elementales, de la siguiente manera:

• El protón (2 quark up, 1 quark down).
• El neutrón (2 quark down, 1 quark up).

Entonces, hasta ahora, todos los átomos de los elementos que hay en el universo, se pueden construir con solo estas tres partículas elementales: electrón, quark up y quark down.

La tabla  de la derecha resume los nombres y algunas propiedades de las 16 partículas elementales, de acuerdo con el Modelo Estándar de la Física de partículas.

¡Pero ahora hay una más  el bosón de Higgs!  ¿Cuál será el motivo?

Doce de las ahora 17 partículas elementales, los seis tipos diferentes de quark, el electrón, el muón, el tauón y tres tipos diferentes de neutrinos, son partículas de materia. Los físicos las llaman colectivamente fermiones.

Los fermiones comparten varias características genéricas importantes, por ejemplo:

• Tienen spin con valor semientero (1/2, 3/2, 5/2, etc.)
• Satisfacen una ley de la mecánica cuántica denominada Principio de exclusión de Pauli, la cual establece que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo; para que coexistan deben tener al menos uno de sus  números cuánticos diferente.
• El tratamiento matemático de una colección de estas partículas debe hacerse por medio de la Estadística de Fermi-Dirac.

Ahora bien,sabemos que las doce pelotitas de materia (fermiones), tanto por sí mismas, como cuando forman núcleos y átomos de los elementos en el universo, interaccionan entre sí. Esta interacción produce los fenómenos conocidos del electromagnetismo; las extraordinarias fuerzas de corto alcance para unir quarks y mantener la estabilidad del núcleo atómico (interacción nuclear fuerte); la interacción nuclear débil, responsable del decaimiento del neutrón y de la radiactividad; y la cotidiana pero aún enigmática interacción gravitatoria. ¿Cómo lo hacen?

Según el Modelo Estándar  esas interacciones se producen a través del intercambio de partículas, de la siguiente manera:

• El fotón (γ) es el responsable de la interacción electromagnética.
• El gluón (g) se hace cargo de la interacción nuclear fuerte.
• Las partículas Z y W son responsables de la interacción nuclear débil.

Estas otras cuatro partículas elementales, o mejor digamos 5, para incluir el H⁰,  se llaman colectivamente bosones y entre sus propiedades de grupo tenemos que:

• Tienen spin entero (0, 1, 2, etc.)
• No están sujetas a satisfacer el Principio de Exclusión de Pauli, esto es, varios bosones pueden coexistir en el mismo estado cuántico al mismo tiempo.
• El tratamiento matemático de una colección de estas partículas debe hacerse por medio de la Estadística de Bose-Einstein.

¿Y la quinta partícula, el bosón de Higgs (H^o), que aporta?

Seguro se dieron cuenta que no mencioné nada sobre la partícula  responsable de la interacción gravitatoria. Ese es un tema dificil aún para los físicos de mucha esperiencia. Se ha postulado la existencia de un sexto bosón, llamado gravitón, pero ...

Bueno, si me atrevo, en unas dos semanas le contaré algo sobre el H⁰.

Por ahora le diré que, según el Modelo Estándar, la masa no es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, como si lo es la carga eléctrica y el spin. 

El modelo funciona bien si al inicio del big-bang, todas las partículas no tenían masa.Si se aplica a partículas con masa el modelo no produce resultados correctos. 

Entonces, ¿cómo adquieren la masa los fermiones?

La mejor explicación hasta ahora es asociar a cada punto del espacio-tiempo una cantidad física (un campo) que por medio de algún mecanismo y a través de una partícula de intercambio, un bosón muy especial, produzca el efecto de masa. Así un neutrino, atravesaría el espacio-tiempo prácticamente sin experimentar ningún efecto asociado a lo que sería su masa casi nula, mientras que un electrón, un muón o un quark tendrán una interacción proporcional a la gran masa que se les ha medido.

Esso es lo que hace el Campo de Higgs, vía interacción con el bosón de Higgs.

Referencias:

Noticias del mundo subatómico.