Partícula elemental

Model estàndard de les partícules elementals

En física, una partícula elemental o partícula fonamental és qualsevol de les unitats bàsiques constituents de la matèria, no formades per altres unitats i considerades indivisibles segons els coneixements actuals. Val a dir que moltes partícules que antigament es consideraven fonamentals, com ara el protó o el neutró, avui en dia es consideren compostes.

Actualment, i d'acord amb el model estàndard de física de partícules, es consideren partícules elementals els quarks, els leptons i les partícules intermediàries de les interaccions fonamentals, com també les corresponents antipartícules. A aquestes partícules elementals cal afegir-hi, segons els coneixements actuals, el bosó de Higgs.

Els electrons i els quarks no presenten cap estructura observable; no poden ser reduïts ni separats en components més fonamentals. Per tant, és pertinent designar-los com a partícules “elementals”, una denominació que en el passat fou atribuïda erròniament a partícules com el protó, el qual és, de fet, una partícula composta que conté quarks. El terme partícula subatòmica es refereix tant a les partícules veritablement elementals, com ara els quarks i els electrons, com a les partícules de major dimensió que els quarks constitueixen.

Malgrat que ambdós tipus són partícules elementals, els electrons i els quarks difereixen en diversos aspectes. Mentre que els quarks constitueixen conjuntament els nucleons dins del nucli atòmic, els electrons generalment circulen en la regió perifèrica dels àtoms. En efecte, es considera que els electrons són distints dels quarks i es classifiquen en un grup diferenciat de partícules elementals denominat leptons. Hi ha diversos tipus de leptons, de la mateixa manera que existeixen diversos tipus de quarks. Tanmateix, només es requereixen dos tipus de quarks per a constituir protons i neutrons, i aquests, juntament amb l'electró i una altra partícula elemental, són tots els constituents fonamentals necessaris per a edificar la matèria ordinària. L'última partícula requerida és una partícula elèctricament neutra denominada neutrí.

Els neutrins no existeixen dins dels àtoms en el mateix sentit que ho fan els electrons, però exerceixen un paper crucial en certs tipus de desintegració radioactiva. En un procés fonamental d'un tipus de radioactivitat, conegut com a desintegració β, un neutró es transforma en un protó. En experimentar aquesta transformació, el neutró adquireix una unitat de càrrega positiva. Per a mantenir constant la càrrega global en el procés de desintegració β i, d'aquesta manera, ajustar-se a la llei física fonamental de conservació de la càrrega, el neutró ha d'emetre un electró amb càrrega negativa. Addicionalment, el neutró també emet un neutrí (estrictament parlant, un antineutrí), el qual posseeix una massa ínfima o nul·la i manca de càrrega elèctrica. Les desintegracions β són importants en les transicions que s'esdevenen quan nuclis atòmics inestables evolucionen per assolir una major estabilitat, i per aquest motiu els neutrins són un component indispensable per a determinar la naturalesa de la matèria.

El neutrí, com també l'electró, es classifica com a leptó. Així doncs, d'entrada podria semblar que només haurien d'existir quatre tipus de partícules elementals: dos quarks i dos leptons. Tanmateix, a la dècada de 1930, molt abans que el concepte dels quarks s'establís, va quedar palès que la matèria és més complexa.

Model estàndard de la física

Segons la teoria acceptada actualment, el model estàndard, les partícules fonamentals es poden classificar d'acord amb:

• Leptons. Tenen espín 1/2.
  • Electró, muó, tauó. Tenen càrrega elèctrica -e.
  • Neutrins. No tenen càrrega elèctrica.
• Quarks. N'hi ha de 6 tipus, anomenats sabors (u, d, s, c, t, b). No es presenten mai sols, sinó formant partícules compostes. Tenen espín 1/2, i càrrega elèctrica fraccionària.
• Partícules portadores de les interaccions. Tenen espín sencer i càrrega elèctrica zero (excepte el bosó W, que té càrrega elèctrica de +-e).
  • Fotó. Portador de la interacció electromagnètica.
  • Gluó. Portador de la interacció forta.
  • Bosons W i Z. Portadors de la interacció feble.
  • Gravitó. Portador de la interacció gravitatòria. (Especulació teòrica.)
• Partícula de Higgs. Té espín zero.