Modelo Estandar 2/2

Tras haber hablado  de las partículas que componen la materia, hablemos ahora de los neutrinos. Para empezar vamos a citar algunos datos curiosos: Por cada electrón y quark hay en el universo 10.000.000.000 de neutrinos; nuestros cuerpos producen cientos de millones de neutrinos al día; y el sol produce tantos neutrinos que cada segundo nos atraviesan 100.000.000.000.000 de neutrinos. Otra singularidad de los neutrinos es que tienen distintas propiedades cuando están interactuando que cuando andan por ahí sueltos, por lo que se pueden considerar que existen dos familias de neutrinos en función de esta cirunstancia. Además mutan tan fácilmente unos en otros que producen cierto efecto de vibración o superposición. Como indica su nombre, los neutrinos no tienen carga eléctrica y su masa es pequeñísima. Por no tener carga eléctrica no pueden intercambiar fotones con los electrones. Tampoco pueden intercambiar gluones con los quaks, aunque sí pueden hablar con ambos a través de la fuerza débil. A los neutrinos ya les dedicamos un post que conviene repasar para no repetir.

La fuerza débil es la responsable de la radioactividad y se debe a las interacciones de los bosones W y Z. El bosón W tiene una masa ocho veces superior a la del protón y carga positiva o negativa. El bosón Z tiene una masa noventa y una veces mayor que la del protón y no tiene carga.

Para explicar las interacciones entre partículas se suelen utilizar los diagramas de Feynman. Un diagrama de Feynman muy simple es el de la figura 1, que  muestra en su parte superior cómo un electrón que llega por la izquierda emite un fotón, sale a continuación por la derecha y sigue siendo un electrón, sin que cambie la partícula. Lo mismo muestra la parte inferior, que indica que si el electrón que llega por la izquierda absorve un fotón,  sale por la derecha y sigue siendo un electrón.

Figura 1

Utilizando este tipo de diagramas, la figura 2 muestra cómo el bosón W actúa de mediador en la desintegración beta del Carbono 14. El carbono 14 tiene 6 protones y 8 neutrones, y cuando esto ocurre hay cierta tendencia a que un neutrón se transforme en un protón para que ambos números se igualen, que es lo que aquí se muestra en la figura, donde el neutrón, por intermediación del bosón W, cambia un quark d en un quark u, creando así un protón con carga positiva dado que la suma de las cargas de los quarks u,d,d es nula y la de los quarks u,u,d es positiva. El proceso se completa en la parte inferior, donde se ve cómo un neutrino interacciona con el bosón W generando un electrón.

Figura 2

La capacidad que tiene el bosón W para transformar un quarks d en un quarks u o un electrón neutrino  en un electrón no se limita únicamente a estos casos. En la figura 3 se recogen todos los intercambios posibles de los que es capaz el bosón W. Como estamos hablando de Física Cuántica no hay que olvidar que todo esto ocurre con distintos grados de probabilidad. Por ejemplo, en el caso de los quarks es mucho más probable la consumación de intercambios entre los los quarks de una misma columna que cuando los dos  quarks están en columnas diferentes. En el grupo de los leptones el cambio que se da con una probabilidad mucho más pequeña que las demás es el del electrón neutrino con el tau. Los otros  tienen probabilidades del mismo orden de magnitud. Cuando en la figura vemos que el mediador W se acopla a dos parejas de partículas lo que que hace es intercambiarlas.

Figura 3 (Fuente: Conferencia del profesor Luca Merlo)

A modo de resumen, la figura 4 visualiza las interacciones posibles y no posibles entre las partículas mencionadas, todas las cuales pueden tener lugar gracias a la mediación de los bosones W y Z,

Figura 4 (Fuente: Conferencia del profesor Luca Merlo)

Todas las partícula que hemos mencionado tienen sus correspondientes antipartículas, a las que ya nos hemos referido en otra ocasión. La diferencia entre cada partícula y su antipartícula es que tienen la misma masa y cargas eléctricas contrarias. La pareja más conocida es la fomada por el electrón, e^–, y el positrón, e⁺.

Los quarks no  solo se juntan de tres en tres unidos por la fuerza fuerte para formar los protones y los neutrones, sino que además admiten otras formaciones, que componen la llamada familia de Hadrones. Toda ellas, salvo las que forman los núcleos de los átomos, son muy inestables. Los hadrones se componen de dos grupos. El primero está formado por seis partículas en las que los quarks se agrupan de tres en tres: dud, uud, uus, sus, sds y dds. Y el segundo, por grupos de dos, compuestos por un quark y el antiquark de otro: el antiquark de s se puede unir al quark d o al u; el antiquark de d se puede unir al quark u o al s;  y el antiquark de u se puede unir al quark s o al d.

Y para terminar este repaso del Modelo Estandar solo nos quedaría hablar del bosón de Higgs, que permea todo el espacio conocido  y es el responsable de la creación de la materia. Ambos temas los damos por conocidos, pues los podemos repasar en los posts ya publicados Masa y Materia y El bosón de Higgs.

Figura de cabecera: Estructura interna del protón y el electrón, compuesta cada uno de ellos por tres quarks.