¿Qué es la física de partículas?

La física de partículas, también conocida como física de las altas energía (HEP, por sus siglas del inglés: High Energy Physics), es una rama de la física que se dedica a estudiar las partículas elementales y las relaciones fundamentales que se establecen entre ellas.

La física de partículas se basa en el Modelo Estándar, una teoría cuántica de campos que describe la materia y el vacío considerando que las partículas elementales son paquetes de energía e irreductibles. A pesar de que desde su creación, en 1970, las pruebas experimentales han confirmado sus predicciones, no se le puede considerar aún una teoría completa a causa de una serie de insuficiencias. 

¿Qué son partículas elementales?

También conocidas como partículas fundamentales, las partículas elementales son las entidades más pequeñas que constituyen la materia. Hasta ahora se considera que no son divisibles, no están constituidas por partículas más pequeñas ni tienen una estructura interna.

En diversos estadios de la historia de la física, se ha considerado que otras eran las partículas elementales. El modelo atómico, sostenía que el átomo era la partícula más pequeña de la materia; por su parte, el modelo nuclear consideraba que los elementos del átomo eran indivisibles. El modelo estándar es el modelo de la física que se utiliza actualmente.

¿Qué es el principio de exclusión de Pauli?

El principio de exclusión de Pauli es una regla de la mecánica cuántica enunciada en 1925. Según este principio, no puede haber dos fermiones en el mismo estado cuántico (es decir, con todos sus números cuánticos idénticos) dentro del mismo sistema cuántico.​

¿Cuáles son las partículas elementales?

Las partículas elementales se dividen en dos grandes grupos, según si están sujetas o no a el principio de exclusión de Pauli.

• Bosones: son partículas que no cumplen con el principio de exclusión de Pauli; es decir, que dos partículas pueden ocupar el mismo estado cuántico.
  Los bosones que se han descubierto hasta hoy son:
  • Fotón.
  • Bosón W.
  • Bosón Z.
  • Gluon.
  • Higgs.
• Fermiones: son partículas de materia, como los bosones, pero a diferencia de estos, no todos los fermiones son partículas elementales, puesto que algunos están compuestos por otras partículas (como los quarks), que sí son elementales. Los fermiones cumplen el principio de exclusión de Pauli; además, tienen espín, y momento angular intrínseco. Su distribución está regida por la estadística de Fermi-Dirac, que cuenta estados de ocupación de forma estadística.
  Los fermiones, a su vez se dividen en otros dos grupos:
  • Leptones: pueden existir aislados. Los que se conocen hasta ahora son:
    • Electrón.
    • Muon.
    • Tauón.
    • Neutrino electrónico.
    • Neutrino muónico.
    • Neutrino tauónico.
  • Quarks: a diferencia de los leptones, no pueden existir aislados, sino que se encuentran siempre en presencia de otros quarks, a los que están unidos por gluones. Los que se conocen hasta ahora son:
    • Up.
    • Charm.
    • Top.
    • Down.
    • Strange.
    • Bottom.

Por otra parte, los hadrones son partículas compuestas por otras más elementales, y están formadas por quarks, antiquarks y gluones. Pueden ser:

• Bariones: contienen tres quarks, algunos gluones y algunos antiquarks. La mayoría son inestables, excepto los nucleones (es decir, los protones y los neutrones). Los bariones son, además, fermiones.
• Mesones: están formados por un quark, un antiquark y un gluón. Todos son inestables, pero a pesar de eso pueden encontrarse aislados. Los mesones son, además, bosones.

Además de este tipo de partículas, también existen:

• Partículas hipotéticas: han sido planteadas de forma teórica, pero su existencia no se ha podido probar de manera práctica.
• Partículas supercompañeras: plateadas por la teoría de la supersimetría, serían la partícula simétrica de las partículas existentes.
• Cuasipartículas: son entidades particulares identificadas por la física de la materia condensada.

¿Cuáles son las áreas de investigación de la física de partículas?

El principal objetivo de la física de partículas es comprender la estructura fundamental de la materia y sus interacciones fundamentales. Todavía hay muchas preguntas sin respuesta, como la naturaleza de la materia oscura, las fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo y la unificación de las fuerzas fundamentales.

A nivel pragmático, la física de partículas ha contribuido, por ejemplo, al desarrollo de tecnologías como los dispositivos electrónicos basados en semiconductores; en medicina, ha sido de utilidad en el desarrollo de la terapia de radiación y de tecnología de imágenes médicas. A pesar de que esta rama de la física estudia los elementos más pequeños del universo, es fundamental para la comprensión de los sistemas más grandes que se conocen, por lo que también está estrechamente relacionada con la astrofísica y la cosmología.