¿Cuál es la diferencia entre quarks y leptones?

La física de partículas es el subcampo de la física que se ocupa del estudio de las partículas subatómicas elementales, las partículas que forman los átomos. A principios del siglo XX, se realizaron muchos avances experimentales que sugirieron que los átomos, que se creía que eran el componente más pequeño de la materia, estaban formados por partículas aún más pequeñas. Se idearon nuevas teorías para explicar esto (como el Modelo Estándar de Física de Partículas), se diseñaron muchos experimentos nuevos (usando equipos tales como aceleradores de partículas) y gradualmente se hizo evidente que las partículas que componen los átomos pueden más. Dos ejemplos de estas partículas son los quarks y los leptones, y aunque estos tipos de partículas tienen mucho en común, sus diferencias suelen ser marcadas.

Actualmente se cree que los quarks (nombrados por el ganador del premio Nobel Murray Gell-Mann después de una cita en el libro "Finnegan's Wake" de James Joyce) y los leptones son las partículas más fundamentales que existen; es decir, no se pueden descomponer en otras partículas constituyentes. Los quarks y los leptones tampoco son partículas en sí mismos; más bien, se refieren a familias de partículas, cada una de las cuales contiene seis miembros. La familia de partículas de los quarks se compone de partículas arriba, abajo, arriba, abajo, encanto y extrañas, mientras que Los leptones consisten en el electrón, el neutrino electrónico, el muón, el neutrino muón, el neutrino tau y el tau. partículas. También hay antipartículas asociadas con cada partícula, siendo la antipartícula el espejo opuesto a la partícula correspondiente (por ejemplo, que tiene la carga opuesta).

Los leptones tienen una carga eléctrica de una unidad de carga fundamental (definida como la carga de una sola electrón), en el caso del electrón, muón o tau, o sin carga, en el caso del correspondiente neutrinos. Los quarks, por otro lado, tienen cargas fraccionarias (+/- 1/3 o +/- 2/3, dependiendo del quark). Cuando estos quarks se agrupan, la suma de sus cargas siempre se suma a una carga entera. Por ejemplo, si se agrupan dos quarks arriba y un quark abajo (con cargas de +2/3 y -1/3, respectivamente), la suma de las cargas suma +1 y se crea una nueva partícula. Esta nueva partícula es el protón, uno de los principales componentes del núcleo atómico.

Si bien todos los quarks tienen una carga fraccionaria, un quark nunca existirá libremente en la naturaleza; esto se debe a una fuerza fundamental conocida como "fuerza fuerte". La fuerza fuerte, que está mediada por partículas portadoras de fuerza llamadas gluones, actúa dentro del núcleo de los átomos y mantiene a los quarks atraídos por uno otro. La fuerza entre los quarks aumenta a medida que se separan, lo que garantiza que nunca se detecte un quark libre. El campo de estudio dedicado a las interacciones entre quarks y gluones se denomina cromodinámica cuántica (QCD). Los leptones, por otro lado, son partículas muy "independientes" y pueden aislarse.

Hay cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza fuerte (que mantiene unidos los núcleos atómicos y los quarks), la fuerza débil (que es responsable de desintegración radiactiva), la fuerza electromagnética (que ayuda a mantener unidos los átomos) y la fuerza gravitacional (que actúa sobre cualquier objeto con masa o energía en el universo). Los quarks están sujetos a todas las fuerzas fundamentales; los leptones, por otro lado, están sujetos a todas las fuerzas excepto a la fuerza fuerte. Esto se debe a que la fuerza fuerte tiene un rango muy corto, típicamente más pequeño que el de un núcleo atómico; por lo tanto, la fuerza fuerte generalmente se limita a esta área. Las fuerzas débiles, electromagnéticas y gravitacionales, por otro lado, pueden actuar a una distancia mucho mayor que la fuerza fuerte.