Interacciones fundamentales - Yorleny

Las interacciones de las partículas se describen o se perciben por fuerzas que ocurren al interactuar partículas, estas fuerzas pueden variar de acuerdo a la composición de las mismas.

Todas las fuerzas o interacciones de la naturaleza se pueden agrupar en cuatro tipos básicos, señaladas como interacciones fundamentales:

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Interacción gravitatoria:

Se da entre todas las partículas y se describe mediante la teoría de la relatividad general de A. Einstein o más fácilmente mediante la ley de gravitación universal de Isaac Newton. Es la interacción más débil de todas, pero es la responsable de la estructura general del Universo. Es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas y es conservativa. (Junta de Andalucía, s, f)

La fuerza gravitatoria afecta la estructura del universo

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Interacción electromagnética:

La interacción electromagnética afecta a las partículas con carga eléctrica o con momento magnético, así como a los fotones. Su descripción se hace a partir de las leyes de Maxwell y su alcance es infinito. Es una interacción inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas y es conservativa.(Junta de Andalucía, s, f)

La interacción electromagnética explica la estructura cristalina.
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Interacción nuclear fuerte:

Afecta a los quarks, y por tanto, a los hadrones. Es la más intensa de las cuatro y se denomina también interacción fuerte o interacción hadrónica. Su alcance es muy corto, reduciéndose prácticamente a cero para distancias superiores a 10-15 m, por lo que no tiene influencia en la Química, por ejemplo. Gracias a esta interacción se puede explicar la estabilidad nuclear y muchos procesos nucleares.(Junta de Andalucía, s, f)

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Interacción nuclear débil:

La interacción nuclear débil se produce entre partículas leptónicas o hadrónicas. Explica algunos procesos nucleares, como la desintegración de los núcleos, en la que un neutrón se transforma en un protón y un electrón, generándose también un antineutrino electrónico. También explica las transformaciones entre leptones, como la desintegración del tauón. Su intensidad es mucho mayor que la fuerza gravitatoria, pero es menor que la fuerza electromagnética. También se denomina interacción débil.(Junta de Andalucía, s, f)

Esquema de una emisión beta
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Leyes de conservación de las partículas elementales-Yorleny

Las leyes de conservación se encuentran en todas las interacciones. Entre ellas podemos mencionar: la energía, cantidad de movimiento lineal, momento angular y carga eléctrica. Se llaman leyes de conservación absolutas. También está el número bariónico y los tres números leptónicos en todas las interacciones y desinteraciones. 

La extrañeza se conserva en las interacciones fuerte y electromagnética, pero no en todas las interacciones débiles. (Francis Weston Sears,A. Lewis Ford,Roger A. Freedman. 2005).

Falta por mencionar dos más, que se presentan en las interacciones, pero no en todas. Son útiles para clasificar a las partículas y a sus interacciones.

Una es el isospín, cantidad con la que se describe la independencia entre las interacciones fuertes y la carga. (Francis Weston Sears,A. Lewis Ford,Roger A. Freedman. 2005).

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La otra es la paridad, que describe el comportamiento comparativo de dos sistemas que son imágenes corpusculares entre sí.

EI isospín se conserva en las interacciones fuertes, que son independientes dc la carga, pero no en tas interacciones electromagnéticas o débiles. (La interacción electromagnética desde luego que es independiente de la carga). Francis Weston Sears,A. Lewis Ford,Roger A. Freedman. (2005).

La paridad se conserva en las interacciones fuertes y electromagnéticas, pero no en las débiles. Los físicos chino-estadounidenses T.D. Lee y C.N. Yang recibieron el Premio Nobel en 1957 por establecer las bases teóricas de b no conservación de la paridad en las interacciones débiles. Francis Weston Sears,A. Lewis Ford,Roger A. Freedman. (2005).

Esta descripción demuestra que las leyes de conservación son otra base para clasificar las partículas y sus interacciones. Cada ley de conservación se asocia también con una propiedad de simetría del sistema. 

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Un ejemplo particular es el momento angular. Si un sistema está en un ambiente que tiene simetría del sistema. No podrá actuar sobre él un par de torsión, porque la dirección de ese par violaría la simetría. En ese sistema, se conserva el momento angular total. Cuando se viola una ley de conservación se describe con frecuencia como interacción de ruptura de simetría. Francis Weston Sears,A. Lewis Ford,Roger A. Freedman. (2005).

Esquema momento angular
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El modelo estándar de la física de partículas- Nora

Actualmente en física, la dinámica de la materia y de la energía en la naturaleza se entiende mejor en términos de movimiento de partículas e interacciones de  partículas elementales. Hasta la fecha, la ciencia ha logrado reducir las leyes que parecen gobernar el comportamiento y la interacción de todos los tipos de materia y de energía que conocemos, a un conjunto pequeño de leyes y teorías fundamentales. (Proyectos de Ambito. Científicos- Tecnologicos. (s.f).

Una meta importante de la física es encontrar la base común que uniría a todas éstas en una teoría del todo, en la cual todas las otras leyes que conocemos serían casos especiales, y de la cual puede derivarse el comportamiento de toda la materia y energía (idealmente a partir de primeros principios).

Dentro de esto, el modelo estándar agrupa dos teorías importantes - el modelo electrodébil y la cromodinámica cuántica- lo que proporciona una teoría internamente consistente que describe las interacciones entre todas las partículas observadas experimentalmente. Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el modelo estándar. El modelo estándar describe cada tipo de partícula en términos de un campo matemático. Para una descripción técnica de los campos y de sus interacciones, ver la Teoría cuántica de campos.(Proyectos de Ambito. Científicos- Tecnologicos. (s.f).

Para facilitar la descripción, el modelo estándar se puede dividir en tres partes que son las partículas de materia, las partículas mediadoras de las fuerzas, y el bosón de Higgs.

El Modelo Estándar predecía la existencia de los bosones W y Z, el gluón, y los quarks top y charm antes de que esas partículas hubiesen sido observadas. Sus propiedades predichas fueron experimentalmente confirmadas con buena precisión.

El Large Electrón-Positron collider (LEP) en el CERN probó varias predicciones entre los decaimientos de los bosones Z, y las confirmó.

Aún no hay indicios experimentales de la existencia del bosón de Higgs, aunque se espera que pueda ser detectado por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cuando éste sea reparado después de un primer intento fallido y entre en pleno funcionamiento en 2010. Incluso cuando el Modelo Estándar ha tenido gran éxito en explicar los resultados experimentales, tiene ciertos defectos importantes:

El problema del número de constantes físicas fundamentales. El modelo contiene 19 parámetros libres, tales como las masas de las partículas, que deben ser determinados experimentalmente (además de 10 para las masas de los neutrinos). Esos parámetros no pueden ser calculados independientemente.

Gravedad cuántica. 

El modelo no describe la fuerza gravitatoria, ni los candidatos actuales para construir una teoría cuántica de la gravedad, se asemejan al modelo estándar.

Antimateria. Dentro de él, la materia y la antimateria son simétricas. La preponderancia de la materia en el universo podría ser explicada diciendo que el universo comenzó con otras condiciones iniciales, pero la mayoría de los físicos piensan que esta explicación no es elegante.(Proyectos de Ambito. Científicos- Tecnologicos. (s.f).

Existen alternativas al Modelo Estándar que intentan dar respuesta a estas "deficiencias", como por ejemplo la teoría de cuerdas.

 

 

Bibliografía

Francis Weston Sears,A. Lewis Ford,Roger A. Freedman. (2005). Física universitaria: con física moderna, Volumen 2. 12° edición.  Pearson Educación. Mexico. Pág. 188

Junta de Andalucía. (s,f). La física de partículas y las interacciones fundamentales Recuperado de http://www.juntadeandalucia.es/averroes/iesarroyo/fisica/particula.htm#Hipervínculos

Tipler, P., & Mosca, G. (2005). Física para la ciencia y la tecnología. Volumen 2C . Barcelona: REVERTÉ, S.A.

Valenzuela, C. (1994). Química General: Introducción a la Química Teórica. Salamanca: Ediciones Universidad Salamanca.

Comision Chilena de Energía Nuclear (s,f). Partículas Elementales. recuperado de http://www.cchen.cl/index.php?option=com_content&view=category&id=372&Itemid=149

Proyectos de Ambito. Científicos- Tecnologicos. (s.f). Modelo estándar de física. Recuperado de  (http://blog.educastur.es/proyectoct/1%C2%BA-evaluacion/el-mundo-cuantico-2/