Leptones,hadrones,quarks y gluones

Las partículas subatómicas llamadas LEPTONES son partículas elementales, todas ellas de Spín (giro de la partícula) fraccionario y de masa pequeña, que no interaccionan con la fuerza nuclear fuerte.  Los más conocidos son los ELECTRONES con spín ½, carga negativa y masa despreciable. Su spín fraccionario los clasifica como FERMIONES.

Son también Leptones el NEUTRINO, sin carga ni masa,el MUÓN de masa unas 250 veces mayor que el electrón y el TAUÓN de masa unas 3500 veces mayor que el electrón, que ya no es precisamente una partícula de masa pequeña, y que es realmente un LEPTON PESADO.

Las partículas llamadas BOSONES tienen spín entero y son las siguientes:
a) Ocho tipos de GLUONES, portadores de la interacción fuerte, sin masa ni carga eléctrica, pero con "CARGA DE COLOR".
b) Tres BOSONES VECTORIALES (spin 1) intermediarios de la interacción débil que interviene por ejemplo en la desintegración de las partículas; son W+, W- y Z0
c) El FOTÓN, sin masa ni carga eléctrica mediador de la interacción electromagnética, por la que las partículas cargadas experimentan fuerzas atractivas o repulsivas.
d) El BOSON de HIGGS de gran masa, postulado teóricamente hace varios años pero todavía no detectado con total certeza experimentalmente. Crearía los campos de Higgs y de acuerdo al llamado mecanismo de Higgs, dotaría de masa a todas las demás partículas.
e) El GRAVITON es el Bosón mediador de la interacción gravitatoria, y aunque no ha sido detectado experimentalmente, su existencia se da prácticamente por segura.

Los HADRONES no son partículas elementales, sino compuestas por otras partículas elementales llamadas QUARKS. Los Hadrones pueden ser BARIONES que constan de tres QUARKS como el Protón y el Neutrón y MESONES que están constituidos por un quark y un antiquark. Hay varias generaciones o familias de Quarks que se distinguen por sus "sabores", propiedades quánticas que reciben los siguientes nombres:

up (u) y down (d) ( arriba y abajo) la 1ª generación;
strange (s) y charme (c) ( extraño y encanto) la 2ª generación;
bottom (b) y top (t) ( fondo y cima) la 3ª generación.
La familia o generación más importante es la 1ª de los Quarks "u" y "d" pues toda la materia ordinaria está construida con ellos.

La existencia de todos los Quarks ha podido ser ya establecida experimentalmente, el último ha sido el QUARK Top (t) de la 3ª generación en el año 1995 en el acelerador del Fermilab.
La gran masa del Quark Top ha requerido el uso de muy elevadas energías y de los más modernos aceleradores de partículas.

Los PROTONES como dijimos, se componen de tres quarks (dos "u" y uno "d") y son por tanto BARIONES.
Los MESONES se componen de un quark y un antiquark por ejemplo "u" y "d*". Otras combinaciones de quarks forman los restantes miembros de la familia de los HADRONES.

Los QUARKS tienen spín de valor 1/2 y son por tanto FERMIONES; tienen carga eléctrica de valor 1/3 o 2/3 (positiva o negativa según el quark), de la carga unidad del protón. También tienen una carga especial llamada "CARGA DE COLOR" representada por los colores básicos Rojo, Verde y Azul.

Los QUARKS se mantienen confinados en el interior de los Hadrones por acción de la FUERZA FUERTE, siendo las partículas portadoras de esta fuerza los GLUONES, sin masa ni carga eléctrica, que tienen spín=1 y son por tanto BOSONES.

Nunca se ha detectado un QUARK aislado, parecen estar fuertemente ligados y confinados en el interior de los HADRONES; pero resulta curioso que el estudio de la estructura interna de los hadrones evidencia que los QUARKS parecen moverse en su interior con entera libertad.

Cuando se crean pares de GLUONES VIRTUALES, forman una nube alrededor del quark, de manera que la carga de color propia del quark se ve incrementada por un efecto de "antiapantallamiento" de la "nube gluónica", de forma que la "fuerza de color" aumenta con la distancia en vez de disminuir.

Los QUARKS de un HADRON actúan de forma parecida a como si estuvieran sujetos por muelles o bandas de goma elástica. En el interior del hadrón estas "gomas" están sin tensión y los quarks se mueven con libertad, pero a medida que el quark se aleja, las bandas de goma se tensan y la energía necesaria para extraer un quark de un hadrón tiende a infinito. Esto se conoce como LIBERTAD ASINTOTICA de los Quarks.

Los GLUONES tienen carga de color compuesta de un "color" y un "anticolor", como por ejemplo Azul-Antiverde, (A-V*) o Rojo-Antiazul, (R-A*). La interacción de un GLUON con un QUARK cambia el "color" del quark . Así un QUARK "Rojo" puede emitir un Gluón (R-A*) y se convierte en Azul.Un QUARK "Verde" puede absorber un Gluón (R-V*) y pasa a ser "Rojo".

Los GLUONES cambian el "color" de los QUARKS al interaccionar con ellos, pero la "FUERZA DEBIL" cambia su "sabor", por ejemplo en la desintegración de un neutrón uno de sus QUARK "d" emite un BOSÓN W(-) y se transforma en un QUARK "u".  Las interacciones de los QUARK con los GLUONES, provocan constantes cambios de "color", pero necesariamente se cumplirá que la suma de colores R+V+A = BLANCO.

La acción de los campos de GLUONES compensa los cambios de "color" internos de los QUARKS y se mantiene la neutralidad (sin color) de los HADRONES. Se cumple así una importante condición propia de la SIMETRIA GAUGE que se aplica a las ecuaciones matemáticas utilizadas en la QDC o Cromodinámica Quántica, disciplina de la Física que estudia en profundidad todas estas cuestiones.

Bibliografía:

"Superfuerza" de Paul Davies. Editorial Salvat.

"Partículas Elementales" Revista de Investigación y Ciencia.

"Electrones, Neutrinos y Quarks" de F.J.Yndurain Ed. Crítica.

"De los Átomos a los Quarks" de James S.Trefil. Editorial Salvat

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