Partículas Elementales

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Las partículas elementales son los constituyentes elementales de la materia; más precisamente son partículas que no están constituidas por partículas más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna.​

Originalmente el término partícula elemental se usó para toda partícula subatómica como los protones y neutrones, los electrones y otros tipos de partículas exóticas que solo pueden encontrarse en los rayos cósmicos o en los grandes aceleradores de partículas, como los piones o los muones. Sin embargo, a partir de los años 1970 quedó claro que los protones y neutrones son partículas compuestas de otras más simples. Actualmente el nombre partícula elemental se usa para las partículas que, hasta donde se sabe, no están formadas por partículas más simples

Cuando a principios del siglo XIX John Dalton postuló su teoría atómica, consideró que los átomos eran indivisibles y por tanto, en cierto modo, partículas elementales. Los avances en el conocimiento de la estructura atómica revelaron que los átomos no eran ni mucho menos indivisibles y estaban formados por partículas más elementales: protones, neutrones y electrones. El estudio de las partículas que forman el núcleo atómico, reveló que estas no eran elementales, sino que estaban formadas por partículas más simples. A su vez los neutrones, protones y otras partículas están compuestas por los hadrones y los mesones. Tanto los hadrones como los mesones están constituidos por partículas más pequeñas, llamadas quarks y antiquarks, y “nubes” de gluones que los mantienen unidos.

La lista de partículas subatómicas que actualmente se conocen consta de centenares, situación que sorprendió a los físicos, hasta que fueron capaces de comprender que muchas de esas partículas realmente no eran elementales sino compuestas de elementos más simples llamados quarks y leptones que interaccionan entre ellos mediante el intercambio de bosones. En el modelo estándar, que refleja nuestro estado de conocimiento sobre los constituyentes últimos de la materia, los quarks, los leptones y los bosones de intercambio se consideran partículas elementales, ya que no existe evidencia de que a su vez estuvieran formados por otras partículas más “pequeñas”.

Si bien las partículas más pesadas (hadrones) y las de masa intermedia (mesones) que respondían a la interacción fuerte fueron consideradas elementales, actualmente se sabe que son partículas compuestas. Sólo las partículas más ligeras (leptones) que no resultaban afectadas por la interacción fuerte, resultaron ser elementales. Los dos tipos de leptones más comunes son los electrones y los neutrinos, de las que como se ha dicho se cree que son realmente elementales. Los neutrinos, entidades que comenzaron su existencia como artificios matemáticos, ya han sido detectados y forman parte de todas las teorías físicas de la composición de la materia, de la cosmología, astrofísica y otras disciplinas.

Actualmente se cree que los leptones, quarks (estos dos primeros tipos son fermiones) y bosones gauge, son todos los constituyentes más pequeños de la materia y por tanto serían partículas propiamente elementales. Existe un problema interesante en cuanto a estas partículas propiamente elementales, ya que, por ejemplo, los leptones parecen agruparse en series homofuncionales, siendo cada generación similar a la anterior pero formada por partículas más masivas:

Generación 1: electrón, neutrino electrónico, quark arriba, quark abajo.
Generación 2: muon, neutrino muónico, quark extraño, quark encantado.
Generación 3: tauón, neutrino tauónico, quark fondo, quark cima.
Aunque no se tienen demasiadas ideas de por qué existen estas tres generaciones, en la teoría de cuerdas el número de generaciones existentes tiene que ver con la topología de la variedad de Calabi-Yau que aparece en su formulación. Concretamente el número de generaciones coincidiría en esta teoría con la mitad del valor absoluto del número de Euler de la variedad de Calabi-Yau.3​ Sin embargo, esto no es estrictamente una predicción ya que en el estudio actual de la teoría de cuerdas pueden construirse espacios de Calabi-Yau de diferente número de Euler. Se sabe que si se quiere construir una teoría de cuerdas que de lugar a sólo tres generaciones, el número de Euler debe ser ±6.

Existe la hipótesis de que los quarks a su vez estén formados de preones.