Uno de los enigmas más grandes de la física de partículas a día de hoy es por qué existen tres generaciones de partículas, tres copias idénticas pero de masa muy superior de las partículas que conforman toda la materia que observamos en el universo.
José Luis Oltra
Físico y divulgador científico
Creado:04.01.2024 | 13:00
En el campo de la física de partículas, una de las preguntas más intrigantes a día de hoy es por qué existen exactamente seis tipos de quarks, distribuidos en tres generaciones. Déjame que te explique por qué. Toda la materia visible en el universo, desde una manzana o un coche hasta una estrella o una nebulosa, se compone de la combinación de tres partículas, que forman parte de lo que conocemos como la primera generación: quarks up y down, y electrones. Los quarks up y down se combinan en tríos para formar los protones y neutrones que constituyen los núcleos de los átomos y los electrones suelen estar orbitando alrededor de dichos núcleos.
Además de estas partículas tenemos también los neutrinos, que completarían la primera generación de leptones (que contiene a electrones y neutrinos). Pues bien, a pesar de que de forma “natural” la materia esté formada solo por estas partículas, desde mediados del siglo XX empezamos a descubrir otras partículas con propiedades idénticas a estas cuatro, pero masas mucho mayores. De hecho las propiedades parecían repetirse por grupos. Es decir, había 4 partículas que se parecían a las nombradas, con una masa superior y luego otras cuatro que eran todavía más masivas que las anteriores.
Representación artística de la inteligencia artificial de seis “partículas”. Por supuesto este aspecto no tiene nada que ver con la estructura real de un quark. Foto: Dall-E 3 | José Luis Oltra
Con todo, parece que quarks y leptones existen en tres conjuntos distintos, tres packs, conocidos como generaciones. En caso de que te lo estés preguntando: sí, estas generaciones se llaman así por analogía con las generaciones de una familia. De hecho podríamos decir que la familia de los quarks o de los leptones tiene tres generaciones. La primera generación forma la materia estable del universo. Las partículas de la segunda y tercera generación son inestables y decaen rápidamente en partículas de la primera generación. A pesar de su inestabilidad y su rareza en lo cotidiano, estas partículas se pueden crear en los aceleradores de partículas para estudiarlas en un entorno más controlado, aunque para ello se requieren altas energías. El muón es la partícula idéntica al electrón de la segunda generación y el tauón es la partícula correspondiente de la tercera generación. Estas partículas tienen masas de cientos y miles de veces, respectivamente, la masa del electrón. Eso significa que crearlas en un acelerador de partículas será proporcionalmente más improbable.
Sin embargo, surge una pregunta fundamental: ¿por qué existen estas generaciones de materia y por qué son tres? Esta es una cuestión sin respuesta en la física teórica actual. La existencia de estas generaciones adicionales de partículas sugiere la posibilidad de que haya todavía más quarks y leptones aún por descubrir, o incluso plantea la hipótesis de que los quarks y leptones no sean fundamentales, sino que estén compuestos de partículas aún más elementales y que las generaciones de partículas surjan de alguna propiedad de esas partículas hipotéticas.
Desde hace décadas se busca activamente la existencia de una cuarta generación de partículas. Sin embargo, se han encontrado limitaciones bastante importantes que sugieren que no existe una cuarta generación. Por ejemplo, si existiera un neutrino de cuarta generación, debería tener una masa superior a 45 GeV (gigaelectronvoltios), lo cual parece improbable considerando las masas minúsculas de los neutrinos conocidos, que son miles de millones de veces más pequeñas. Además, hay límites cosmológicos sobre el número de generaciones de neutrinos, sugeridos por la producción de helio durante la nucleosíntesis del Big Bang, que indican que el número de generaciones de neutrinos está alrededor de 3 o 4. Es decir, si existieran muchos tipos más de neutrino, se habría creado mucho menos helio durante el Big Bang y no observaríamos la cantidad medida con nuestros telescopios.
A pesar de esto, las búsquedas de las partículas de esa posible cuarta generación continúan en los aceleradores de partículas más punteros, pero hasta ahora no se ha observado evidencia que apunte en esa dirección. Además se han podido establecer límites inferiores para las masas de los quarks y leptones que deberían formar esa nueva generación, a partir de los experimentos del LHC. Esto es así porque cualquier partícula por debajo de esos límites debería haber aparecido en los años en que este acelerador ha estado operativo. De encontrarse estas evidencias, probablemente nos mostrarían parte del camino hacia lo que se conoce como física más allá del Modelo Estándar.
En el ámbito teórico, la teoría de cuerdas y ciertos modelos de teoría unificada proporcionan explicaciones para la existencia de múltiples generaciones, pero la cantidad específica de tres sigue siendo un misterio. La existencia de tres generaciones de quarks y leptones, y la posibilidad de que existan más, sigue siendo uno de los misterios más profundos en la física de partículas. Esta cuestión no solo desafía nuestro entendimiento actual de los componentes más pequeños del universo sino que también abre la puerta a nuevas y emocionantes áreas de investigación en el campo.
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Referencias:
CMS Collaboration (8 May 2019). "Boosting searches for fourth-generation quarks". CERN Courier.
Griffiths, David J. (2008). Introduction to Elementary Particles (Second, Revised ed.). Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2
Halzen, Francis; Martin, Alan (1984). Quarks & Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. John Wiley & Sons. ISBN 9780471887416.
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Fuente:
