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SOBRE LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES

LAS PARTCULAS ELEMENTALES

Y LAS TEORAS DE CAMPOS

Narciso Romn Roy

Profesor Titular del Departamento de Matemtica Aplicada y Telemtica

Edificio C 3. Campus Nord u P e Jordi Girona l

08034 Barcelona. Espaa.

e-mail: matnrrmat.upc.es.

INTRODUCCIN

En el campo de la Fsica Terica hay multitud de

temas que, bien sea por su espectacularidad, bien sea por

su trascendencia en el mundo actual, atraen la atencin

no slo del especialista cientfico o tcnico, sino tambin

del pblico profano con inquietudes culturales. Entre

dichos temas, quizs los que ms interesan son los que

tienen que ver con la Teora de la Relatividad, la

Cosmologa y la Astrofsica y el mundo subatmico.

El propsito de este trabajo es incidir en la ltima

cuestin. En concreto, se intentar hacer una somera

descripcin que pueda servir de introduccin al fascinan

te mundo de las fuerzas fundamentales de la naturaleza,

de las partculas elementales y de las teoras fsicas que

tratan de describirlas. Para una informacin ms profun

da y detallada sobre todos estos temas (pero que mantiene

un nivel no excesivamente tcnico) puede consultarse la

referencia (1).

En la naturaleza hay

cuatro fuerzas,

tambin llamadas en

Fsica interacciones o

campos) que son

responsables de todos

los fenmenos en el

Universo

La exposicin est dividida en tres partes. En la

primera se presentan las fuerzas o interacciones funda

mentales y sus caractersticas. La segunda est dedicada

a la descripcin de las partculas elementales y sus

propiedades. Finalmente, en la tercera parte se hacen

R M S DE ESTUDIANTES DEL I

algunos comentarios sobre las teoras

de

campos, que

tratan de explicar estos fenmenos. Tambin se incluye

un apndice donde se explican algunas cuestiones ms

tcnicas que pueden servir para clarificar ciertos aspectos

de la exposicin.

INTERACCIONES FUNDAMENTALES

En la naturaleza hay cuatro fuerzas, (tambin

llamadas en Fsica interacciones o campos) que son

responsables

de

todos los fenmenos en el Universo: la

fuerza o interaccin gravitacional

l

nuclear dbil la

electromagntica

y

lanuclear fuerte. Vamos a describir

brevemente las principales caracter ticas de cada una de

ellas.

Interaccin gravitacional

Descripcin: Es la responsable de la interaccin

entre las partculas con masa

y

por extensin, de la

configuracin a escala macroscpica del Universo y de su

estabilidad.

Accin: Acta sobre todas las partculas que tienen

masa no nula. Es de naturaleza atractiva.

Alcance: Prcticamente infinito.

Fuerza: Es la ms dbil. Tomando como unidad la

ms fuerte de las cuatro, sta sera 10-39 veces ms dbil,

aproximadamente.

Interaccin nuclear dbil

Descripcin: Es la responsable de la desintegra

cin de ciertas partculas inestables; es decir, de aquellos

procesos en los que algunas partculas se descomponen

decaen) en otras ms ligeras. Por extensin, es la que

origina algunos procesos radiactivos desintegracin

beta).

Accin: Acta sobre las partculas denominadas

leptones y quarks (ver la seccin siguiente) .

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Alcance: Menos de 10-

15

cm.

Fuerza: 1{)-5 en la escala anterior).

Interaccin electromagntica

Descripcin: Es la responsable de la interaccin

entre las

partculas con carga elctrica y,

por extensin,

de todas las reacciones qumicas y, por consiguiente, de

todos los fenmenos biolgicos).

Accin:

Acta sobre todas las partculas cargadas

elctricamente. Es de naturaleza

atractiva.o repulsiva.

Alcance: Prcticamente infinito.

Fuerza:

10.

Interaccin nuclear fuerte

Descripcin:

Es la responsable de la interaccin

entre los

nucleones,

esto es, las partculas que forman el

ncleo atmico protones y neutrones). Mantiene el

ncleo unido obsrvese que al tener los protones carga

elctrica positiva y los neutrones carga nula, por efecto de

la fuerza electromagntica repulsiva entre los primeros,

el ncleo sera inestable de no existir esta fuerza). Por

extensin, es la responsable de la estabilidad de toda la

materia.

Accin:

Acta sobre

las

partculas

denominadasquarks

ver la seccin siguiente). Es de naturaleza

atractiva.

Alcance:

10.

13

cm.

Farrilia NorrtJre Srrnob

Elect.ron

e

Neutrino ela.ronico

LEPIO

Muon

NES Neutrino muOn

ico

VIL

Tsu

1:

Neutrino

tsuOn ico

Vt

Up

Arribs)

u

D: ......., Absjo)

d

QU.ARKS

Chs

rm

E}1canto)

e

Strsnge Extrsflo)

s

Top Cims)

t

Botto m

Fondo)

b

Tabla 1

Fuerza: 1.

Es la ms fuerte.

PARTCULAS ELEMENTALES

De acuerdo con la teora actualmente aceptada

que recibe el nombre de

Modelo Estndar),

las

partcu-

las elementales

pertenecen a dos grandes grupos: los

fermiones y los bosones

1.

En realidad todas las partcu

las subatmicas, sean o no elementales son, o bien

ferrniones, o bien bosones y es el comportamiento estads

tico de dichas partculas el que hace que pertenezcan a

uno u otro grupo. El papel que desempean en la natura

leza las partculas elementales es muy diferente segn

sean ferrniones o bosones, tal y como se ver seguidamen

te.

Fermiones

Las partculas elementales que forman parte del

grupo de

losfermiones

son los constituyentes bsicos de

lamateria

y

laantimateriaen

el Universo. Aunque no hay

una razn aparente que justifique esta asimetra, el

Universo parece estar formado esencialmente de materia,

aun cuando tambin se ha detectado en l la presencia de

antimateria, principalmente formando parte de los rayos

csmicos en forma de antipartculas.

Dentro del grupo de los fermiones existen

familias de partculas elementales: los leptones y los

quarks

2. En cada una de ellas se agrupan partculas

rigurosamente hablando, partculas y sus correspon

dientes antipartculas) con ciertas caractersticas comu

nes:

asa

Generacin

0,511 MaV -1 PJ:im.eIa

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Nombre

Smbolo

Masa arga

nteraccin

Gravit n

g

O O Gravitaciona1

Bosones

lo

94000 Me V (aprox) O

Nuclear Dbil

Vectoriales

W W

83000 Me V (aprox)

1

,

-1

Fotn

y

O O

Ele ctro magntic a

Gluones

G

G : 2 ~ G40

Desconocida

O

Nuclear Fuerte

GS

G 6 ~ s

(pero

no

nula)

Tabla 2

Leptones:Todos ellos son sensibles a la interaccin

nuclear dbil pero no a la fuerte.

Quarks:

Todos ellos son sensibles a la interaccin

nuclear fuerte. Una caracterstica de estas partculas es

que no aparecen como partculas libres sino como ingre-

dientes de otras ms pesadas que se denominan hadrones:

las combinaciones de dos quarks

unquark

y

unantiquark)

Uno de los objetivos

principales de la Fsica

Terica es poder unificar

la

descripcin de las

cuatro interacciones en

una sola teora de

campos que slrva para

explicarlas todas al

unsono

son los llamados

mesones

(y

antimesones),

mientras que

las de tres quarks (o tres

antiquarks)

reciben el nombre de

bariones (o antibariones), los ms conocidos e importan-

tes de stos ltimos son el

protn

y

el neutrn.

En cada una de estas familias hay tres

generacio-

nes.

Al parecer, para explicar la constitucin de la

materia slo la primera generacin es realmente necesa-

ria y, hoy en da, el papel que juegan las otras dos no est

completamente claro (en general las partculas de estas

generaciones forman partculas pesadas altamente ines-

tables, que son los

mesones y bariones pesados).

En la tabla 1 se recogen las propiedades principa-

les de los leptones y los quarks. Para cada una de las

partculas existe la correspondiente antipartcula: ambas

tienen la misma masa pero carga elctrica opuesta (vase

el apndice).

RAMAS DE ESTUDIANTES DEL

I

Bosones

Las partculas elementales del grupo de los bosones

son las que llevan a cabo las interacciones fundamenta-

les. sto significa que dos partculas ferrninicas que

interacten entre si mediante una de las cuatro fuerzas, lo

hacen

intercambiando alguna

de

stas

partculas

bosnicas.

Hay cuatro clases de partculas eleme tales del

tipo bosnico. Cada una de ellas corresponde a una de las

cuatro interacciones y contiene una o varias partculas.

En la tabla 2 se describen las principales propie-

dades de todas ellas. (Hay que hacer notar que, a diferen-

cia de las partculas elementales ferrninicas, las bosnicas

no tienen antipartculas).

Es interesante hacer notar que existe una estrecha

relacin entre el alcance de una interaccin y la masa del

bosn o bosones que la implementa: en general, cuanto

mayor es la masa de

la

partcula intermediadora, menor

es el alcance de la interaccin. Concretamente:

. La interaccin gravitacional y la electromagntica

tienen alcance infinito, lo cual est relacionado con el

hecho de que las partculas que las sustentan (gravitn y

fotn) tienen masa nula.

La interaccin gravitacional y la electromagntica tie-

nen alcance finito, lo cual est relacionado con

l

hecho

de que las partculas que las sustentan (bosones vectoriales

y gluones) tienen masa no nula.

TEORAS DE CAMPOS

Para poder explicar

de

manera terica

las

interacciones fundamentales y, eventualmente, la rela-

cin entre stas y las partculas elementales, los fsicos y

matemticos han elaborado diversas teoras que reciben

el nombre genrico de

Teoras de Campos.

Las hay de

dos tipos:

Teoras Clsicas de Campos: Son las que tratan

de explicar el comportamiento macroscpico de las

4

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Interaccin

Teora lsica

Teora untica

Unificacin

GRA VITACIONAL

Teona

......

.

. .

de

la

Sin elaborar

,

..,

Teona

Relafuridad General

, .

NUCLEAR

No

existe

de

DBIL

su rango es slo

Teona

Dbil Teona

Teona

nUcroscnico)

de

Super

ELECTRO-

Elel:trodinmic:a Elel:tro

MAGNTICA

Teona de Maxwell Cunma Dbil

Gran Unifil:adn

OED)

NUCLEAR No existe

Cromodinmic:a

Unifil:adn

An no

FUERTE su

rango

es slo

Cunma

elaborada)

nUcroscnico)

Tabla 3

interacciones; esto es, cuando se consideran partculas y

distancias grandes macroscpicas).

Teoras Cunticas de

Campos:

Son las que tratan

de explicar el comportamiento microscpico de las

interacciones; esto es, cuando se consideran partculas y

distancias microscpicas en concreto, cuando se trabaja

a nivel subatmico, atmico

o

molecular).

Actualmente hay teoras de campos que describen

bien cada una

de las

interacciones, clsica

y/o

cunticamente. Uno de los objetivos principales de la

Fsica Terica es poder unificar la descripcin de las

cuatro interacciones en una sola teora de campos que

sirva para explicarlas todas al unsono y que tendr que

ser cuntica necesariamente,

ya

que algunas

de

las

interacciones slo tienen rango microscpico). Hasta el

momento, este objetivo slo se ha cubierto parcialmente,

aunque hay diversos intentos para culminarlo, como son

las teoras de Supersimetra ySupergravedady las teoras

de Cuerdas y Supercuerdas.

La situacin en el presente se resume en la tabla 3,

en la que se halla especificado el nombre y carcter de las

teoras que modelizan cada una de las interacciones.

La interaccin gravitacional

y

la

electromagntica tienen alcance

finito,

lo

cual est relacionado con

el hecho de que las partculas que

las sustentan bosones vectoriales

y gluones) tienen masa no nula

44

OCD)

La masa de las partculas

elementales se mide en unidades

de energa. Ello es debido a la

conocida relacin entre masa

y

energa establecida en la teora

de la Relatividad Especial

APNDICE

La

masa de las partculas elementales se mide en

unidades de energa. Ello es debido a la conocida relacin

entre m s y energa establecida en la teora de

l

Relatividad Especial: E=mc

2

E es la energa,

In

es

la

masa en reposo de la partcula y c es la velocidad de

la

luz). La unidad utilizada es el electrn-Volt eV) que es

el incremento de la energa cintica de un electrn que

est sometido a una diferencia de potencial de 1 Volt a lo

largo de 1 centmetro, y equivale a 1,602xlO-

19

Jouls. En

unidades de masa, 1 eV equivale a 1,782xlO-

33

gramos. 1

MeV es un milln de eVo

Para medir la carga elctrica de las partculas se

toma como unidad la carga del electrn que es 1 602x

10-

19

Coulombs.

Hay otras propiedades que son indispensables

para la completa descripcin de las partculas elementa

les como son el spin, el nmero barinico, el nmero

leptnico, etc.), pero cuya explicacin excede el objetivo

de esta exposicin.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

l.

VARIOS

AUTORES: Partculas Elementales. Quarks,

Leptones y unificacin de las fuerzas. Libros de Investi

gacin y Ciencia. Prensa Cientfica. Barcelona 1984.

BURAN N 9 MAYO 1997