Clasificación de las partículas subatómicas. Interacciones fundamentales.

Las partículas resultantes de combinaciones de quarks se llaman todas hadrones. Los quarks no se encuentran libres en la naturaleza, siempre están en estados ligados con otros quarks, ya sea formando parte de un barión o de un mesón.

Grupos de tres quarks forman bariones (protón o neutrón) y combinaciones de un quark y un anti-quark dan lugar a los llamados mesones.

El mesón pi o pión es la partícula responsable de que los protones y neutrones se encuentren fuertemente unidos en los núcleos atómicos haciendo que se atraigan unos a otros mediante la interacción nuclear fuerte que se produce mediante el intercambio de piones virtuales constantemente. 

El pión es una partícula de muy corta vida, que puede tener carga positiva, negativa o neutra en función del tipo de quarks que la conformen. 

Los piones cargados viven una cien millonésima de segundo y se desintegran en un muon y un neutrino muónico. 

Los piones neutros viven mucho menos, sólo existen durante una diez mil billonésimas de segundo, y se desintegran emitiendo dos fotones.

El mesón K, o kaón, es un mesón (una partícula formada por dos quarks) y un bosón, caracterizado por tener un quark strange.
Hay cuatro tipos de kaones (uno positivo, uno negativo y dos neutros), todos ellos tienen un quark strange y un quark “normal” (up, down…).
Todos ellos tienen masas probablemente idénticas, más o menos la mitad que la de un protón.

Los leptones son partículas muy ligeras que siempre interactúan por medio de la fuerza nuclear débil y, si tienen carga, también sienten la interacción electromagnética, pero nunca sienten la interacción nuclear fuerte. Ejemplos de los leptones son: el electrón, el muon, el tau y el neutrino.

Los bosones son las partículas de fuerza con spin entero (0,1,2…), entre ellas los gluones (que mantienen unidos los quarks constituyentes de bariones y mesones), los bosones W y Z (responsables de la interacción débil), el aún desconocido gravitón (partícula que genera la gravedad), o el fotón (del electromagnetismo).

Los bosones interactúan con los fermiones (quarks y leptones) partículas de spin semi-entero (-1/3, ½,2/3…) que son las partículas constituyentes básicas de la materia. Como por ejemplo el Bosón de Higgs, que otorga masa a las partículas.

La fuerza nuclear débil, o interacción débil, es la resultante de la interacción de los bosones W y los Z con los quarks up y down. Se la denominó "fuerza nuclear débil", porque la interacción débil que produce está confinada a muy cortas distancias, de poco más que el núcleo atómico, y porque es muy débil en comparación la fuerza nuclear fuerte (la que mantiene unidos neutrones y protones de los núcleos atómicos).

Hay dos tipos de bosones W. Los que tienen carga positiva, denominados W+, y los de carga de signo negativo, llamdos W-. Pero hay un solo tipo de bosón Z, ya que este bosón es neutro y constituye su propia antipartícula.

Existen tres formas de interacción débil. En dos de ellas intervienen bosones cargados, que son llamados "interacciones de corriente cargada". El tercer tipo es llamado "interacción de corriente neutral".

•     Un leptón cargado (un electrón o un muon) puede emitir o absorber un bosón W y convertirlo en su correspondiente neutrino.
•        Un quark tipo down (con carga -1/3) puede emitir o absorber a un bosón W y convertirse en quark up. Y viceversa, un quark up puede convertirse en una superposición de quarks down.
•          O bien, un leptón o un quark, pueden emitir o absorber un bosón Z.

Cuando un leptón o un quark decaen, se convierten en partículas más ligeras (cambian de sabor). Siempre que se produce un cambio de sabor intervienen los bosones W y, por tanto, todos estos procesos son debidos a la interacción débil.

Cuando en un neutrón se produce cambio de sabor en uno de sus dos quarks down, el quark afectado da lugar a un quark up y a un bosón W-, a continuación, en un tiempo brevísimo, el bosón W- decae en dos leptones: un electrón y un antineutrino. A este proceso de transformación, en el que se liberan electrones de alta energía (radiación beta), se le llama desintegración beta.

En el suceso inverso, es decir, cuando un protón se convierte en neutrón, es el bosón positivo W+ el que intervine. Sucede porque un quark up se convierte en un quark down más un bosón W+, y este, inmediatamente, decae en un neutrino y un positrón. El proceso descrito, de transmutación de protón a neutrón, se llama de emisión de positrones.

En ambos procesos sucede un hecho aún incomprensible para la ciencia: "un liviano quark se convierte, durante diez yottasegundos (10 elevado a -25 segundos) en un bosón, partícula mucho más masiva que él mismo (más de 20.000 veces el peso del quark)", por lo que durante el breve tiempo de existencia del bosón W existe una incomprensible asimetría de masa-energía. Aunque inmediatamente , tras la desaparición del bosón fugaz, la energía y la masa vuelven a estar equilibradas.

El bosón Z, por ser eléctricamente neutro, no interviene en los cambios de sabor, si no que se limita exclusivamente, cuando interactúa, a impulsar, golpear o, más exactamente a transferir el momento (cantidad de movimiento) de una partícula a otra, en un proceso denominado interacción de corriente neutra.

La interacción débil está matemáticamente unificada con el electromagnetismo en la teoría Electro-débil, que describe la interacción débil como dos diferentes aspectos de una única interacción electro-débil. La teoría fue desarrollada en 1968 por Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg; trabajo por el cual les fue otorgado el Premio Nobel de Física de 1979. Estos científicos postularon la existencia de dos bosones másicos: los bosones W y Z, que finalmente fueron encontrados empíricamente en 1983 en el CERN.

Según la Teoría Electro-débil, a muy altas energías, pueden observarse cuatro bosones de gauge sin masa y similares al fotón, junto con un campo de Higgs escalar (asociado al bosón de Higgs). Sin embargo, a bajas energías, la interacción con el bosón de Higgs ocasiona una ruptura espontánea de simetría electro-débil mediante el llamado mecanismo de Higgs. La ruptura de la simetría produce tres bosones de Goldstone sin masa, que son "absorbidos" por tres de los bosones de gauge originales, adquiriendo así una masa efectiva.

Los tres bosones con masa son precisamente los bosones W y Z de la interacción débil.  Y el cuarto bosón, que permanece sin masa, es observable como el archiconocido fotón (electromagnético). El modelo electro-débil está unificado, a su vez, con la fuerza nuclear fuerte en la teoría de Gran Unificación.

Como consecuencia de la debilidad de la fuerza o interacción débil, los decaimientos débiles son extremadamente lentos en comparación con los decaimientos fuertes o los electromagnéticos. Por poner un ejemplo, el decaimiento electromagnético de un pion neutro sólo dura diez mil billonésimas de  segundo, mientras que un decaimiento débil cargado con un pion, es cien millones de veces más largo, durando aproximadamente una cienmillonésima de segundo. O el caso del neutrón libre, que tiene unos 15 minutos de vida, siendo la partícula subatómica inestable con la vida media más larga.

La fuerza nuclear fuerte es la responsable de la cohesión del núcleo y hoy en día se interpreta como el campo de fuerza asociado a piones emitidos por protones, neutrones y demás hadrones.

De acuerdo con la cromodinámica cuántica, la existencia de ese campo de piones que mantiene unido el núcleo atómico es sólo un efecto residual de la verdadera fuerza fuerte que actúa sobre los quarks.

Las fuerzas que mantienen unidos a los quarks son mucho más fuertes que las que mantienen unidos a neutrones y protones.

Los quarks interaccionan entre ellos intercambiando gluones, que es lo que provoca que estén ligados unos a otros. Estas fuerzas entre quarks son tan fuertes que producen el llamado confinamiento de color que imposibilita observar quarks desnudos a temperaturas ordinarias.

Hoy en día sabemos que la fuerza que mantiene unidos a protones y neutrones en el núcleo es una fuerza residual de la interacción entre los quarks y los gluones que componen dichas partículas (up y down).

La fuerza nuclear fuerte entre protones y neutrones se realiza mediante piones, que son bosones másicos, y por esa razón esta fuerza tiene tan corto alcance. Cada neutrón o protón puede "emitir" y "absorber" piones cargados o neutros, la emisión de piones cargados también comporta la transmutación de un protón en neutrón o viceversa (de hecho en términos de quarks esta interacción se debe a la creación de un par quark-antiquark, el pión cargado no será más que un estado ligado de uno de los quarks originales y más un quark o antiquark de los que se acaban de crear).

La interacción electromagnética es la interacción que ocurre entre las partículas con carga eléctrica. Es la responsable de que los electrones se mantengan en sus orbitales alrededor del núcleo del átomo.
Si no existiese la interacción electromagnética los átomos se desintegrarían y no podría existir la materia tal y como ahora la conocemos.

Desde un punto de vista macroscópico, fijado un observador, el electromagnetismo suele separarse en dos tipos de interacción:
la interacción electrostática, que actúa sobre cuerpos cargados en reposo respecto al observador, y la interacción magnética, que actúa solamente sobre cargas en movimiento respecto al observador.

Las partículas fundamentales interactúan electromagnéticamente mediante el intercambio de fotones entre partículas cargadas.

La electrodinámica cuántica proporciona la descripción cuántica de esta interacción, que puede ser unificada con la interacción nuclear débil según el modelo electrodébil.

La interacción gravitatoria. Es la más conocida de las interacciones, (y al mismo tiempo la que plantea mayores problemas teóricos), ya que el Modelo Estándar no da cuenta de ellas. Es muy débil y afecta a todas las partículas, e incluso a las sin masa como el fotón, debido a que a grandes distancias, por su efecto acumulativo con la masa, tiene mayor efecto que las demás.
Junto al electromagnetismo, son las interacciones que actúan a grandes distancias y contrariamente al electromagnetismo, sólo tiene carácter atractivo.
A distancias atómicas, y en comparación con el resto de interacciones es la más débil de todas.

La interacción gravitatoria hace que cualquier tipo de materia provista de energía interaccione entre sí. Para formas de materia ordinaria cuyo tensor energía-impulso satisface ciertas condiciones de positividad, tendrá un carácter atractivo.
La teoría de la relatividad general estudia el comportamiento de esta interacción a escala planetaria y supragaláctica describiéndola como una Curvatura del espacio-tiempo. En otras palabras, la interacción gravitatoria es una manifestación de la deformación que sufre el espacio-tiempo por la presencia de grandes masas.
La teoría newtoniana de la gravitación es una aproximación no-relativista a la interacción gravitatoria.

Según la hipótesis del modelo estándar, la interacción gravitatoria, gravitación o fuerza de la gravedad, es transmitida por el gravitón (aún por descubrir).

El Campo de Higgs es un campo cuántico, que, de acuerdo con una hipótesis del modelo estándar de física de partículas expuesta por el físico Peter Higgs, permearía el universo entero, y cuyo efecto sería que las partículas adquiriesen masa debido a la interacción asociada de partículas elementales con el bosón de Higgs, que por la interacción consigo mismo también "adquiriría" masa. 

El Gran Colisionador de Hadrones ha servido para probar las hipótesis de Higgs.