Fuerzas fundamentales que actúan entre partículas

Fuerzas fundamentales que actúan entre partículas

Todos los fenómenos naturales se pueden describir utilizando cuatro fuerzas fundamentales que actúan entre partículas. De acuerdo a la intensidad en forma decreciente:

• fuerza nuclear fuerte, fuerza electromagnética, fuerza débil y fuerza gravitacional.

Fuerza nuclear fuerte. ¿Por qué los protones que son todos positivos no se rechazan entre sí en el interior del núcleo del átomo provocando un estallido del mismo? Porque existe una fuerza más poderosa que la electromagnética de repulsión que los mantiene unidos. Esta es la fuerza de atracción entre nucleones (protones y neutrones) y tiene un alcance muy corto y es despreciable para distancias de separación entre nucleones mayores que 10⁻15 m.

La fuerza electromagnética, que une átomos y moléculas para formar materia ordinaria, tiene una intensidad de casi 10⁻²  veces la fuerza nuclear. Esta fuerza de largo alcance disminuye en magnitud con el cuadrado inverso de la separación entre las partículas que interactúan.

La fuerza nuclear débil es una fuerza de corto alcance que tiende a producir inestabilidad en ciertos núcleos. Es la responsable de los procesos de desintegración, tal como la conversión de un neutrón en un protón y viceversa, lo que se denomina desintegración beta, la desintegración de un pion en un muon y la de este en un electrón. En todas estas se emite un neutrino, las cuales son las únicas partículas conocidas sobre las que puede actuar la fuerza débil. Su intensidad es sólo alrededor de 10⁻⁵ veces la fuerza nuclear.

La fuerza gravitacional es una fuerza de gran alcance que tiene una intensidad de aproximadamente 10⁻39 veces la de la fuerza nuclear. A pesar de que esta interacción es la que mantiene juntos a planetas, estrellas y galaxias, su efecto sobre las partículas elementales es despreciable. El concepto del campo gravitacional se introdujo a partir de la dificultad que los primeros científicos encontraron ante la idea de que la fuerza gravitacional actuaba a distancia y sin contacto físico entre los objetos interactuantes.

En la física moderna las interacciones se describen en función del intercambio de entidades llamadas partículas del campo, partículas de intercambio o bosones gauge. Las partículas en continua interacción emiten y absorben partículas de campo.

La emisión de una partícula de campo por una partícula y su absorción por otra se manifiesta como una fuerza entre dos partículas que interactúan.

En el caso de la interacción electromagnética las partículas del campo son fotones, la fuerza nuclear es mediada por partículas del campo llamadas gluones, la fuerza débil es mediada por partículas del campo llamadas bosones , y  la fuerza gravitacional está mediada por partículas del campo llamadas gravitones. [pic 1]

• Relación de intensidad que existe entre estas fuerzas:

Tomando como base 1 para la fuerza fuerte, que es la más poderosa de las cuatro, la que le sigue es la electromagnética cuya intensidad relativa es 10⁻², luego la fuerza débil con 10-5, y por último la fuerza de gravedad con una intensidad relativa a la fuerte de 10-39. Los rangos de actuación en el espacio de cada una de estas fuerzas, son los que hacen que dos de ellas no se perciban por los sentidos, dado que actúan a nivel atómico.

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Clasificación de las partículas atómicas y subatómicas de acuerdo a su spin

Todas las partículas distintas de las partículas de campo pueden clasificarse en dos grandes categorías, los hadrones y los leptones.

El criterio para separar estas partículas en dichas categorías es saber si interactúan o no mediante la fuerza intensa. La fuerza intensa es la fuerza que se genera entre quarks. La fuerza fuerte es la que existe entre quarks o partículas construidas por quarks y la fuerza nuclear la que se da entre nucleones en un núcleo.

De acuerdo al modelo de Gell-Mann y George Zweig propuesto en 1963, todos los hadrones están compuestos de dos o tres constituyentes elementales conocidos como quarks. El modelo tiene tres tipos de quarks, designados por los símbolos u, d y s. A éstos se les da el nombre de arriba, abajo y extraño. Los diversos tipos de quarks son llamados sabores.

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• Hadrones

Las partículas que interactúan por medio de la fuerza intensa (como también por otras fuerzas fundamentales) se llaman hadrones. Las dos clases de hadrones, mesones y bariones, se distinguen por sus masas y espines.

Todos los mesones tienen un espín igual a cero o a un entero (0 o 1). Se sabe que todos los mesones se desintegran finalmente en electrones, positrones, neutrinos y fotones. Los piones son los mesones conocidos más ligeros; tienen masas de alrededor de   y los tres piones (  ) tienen un espín igual a 0.[pic 4][pic 5]

Los bariones, la segunda clase de hadrones, tienen masas iguales o mayores a la masa del protón, y su espín es siempre un valor semientero (). [pic 6]

Los protones y neutrones son bariones, como muchas otras partículas. Con la excepción del protón, todos los bariones se desintegran de forma tal que los productos finales incluyen un protón.

En la actualidad se cree que los hadrones no son partículas elementales, sino que están compuestos por unidades más elementales conocidas como quarks.

• Leptones

Los leptones son partículas que no interactúan usando la fuerza intensa. Todos los leptones tienen espín . A diferencia de los hadrones, que tienen tamaño y estructura, los leptones se observan enteramente elementales, lo que significa que no tienen estructura y son parecidos a un punto. Otra diferencia respecto a los hadrones es que el número de leptones conocidos es pequeño.[pic 7]

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