En 1935 Hideki Yukawa propone la existencia de una partícula para explicar las fuerzas que mantienen unidos a los nucleones. Esta partícula se denominó mesón, ya que tenía una masa intermedia entre la del protón y la del electrón (unas 200 veces la masa de éste). Actualmente esta partícula se denomina pión o mesón p y se detectó por primera vez en la radiación cósmica que llega a la Tierra (1947).

En 1937 se descubre el muón, una partícula con la misma carga que el electrón, pero con una masa de una 200 veces la de éste.

A partir de 1940 se descubrieron cientos de partículas elementales y además las correspondientes antipartículas, idénticas en masa y vida media, pero con carga opuesta. Esta proliferanción de partículas hizo que los físicos desarrollasen unos criterios para clasificarlas y llegar a comprender tanto la estructura interna de la materia como la naturaleza de las interacciones que existen entre ellas.

• Clasificación de las partículas subatómicas.

Actualmente hay dos criterios básicos para la clasificación de partículas subatómicas: según el valor de su spin y según su estructura.

• Clasificación según el valor de su spin

Según el valor de su spin las partículas se clasifican en:

Bosones, que son partículas con spin entero (s = 0, 1, 2, ...), por lo que no puede aplicárseles el principio de exclusión de Pauli. Esto quiere decir que pueden existir muchos bosones que se encuentren en el mismo estado cuántico. Son bosones el fotón (g), cuyo spin es cero, los bosones vectoriales W⁺ ,W^- y Z⁰, con spin 1.

Fermiones, que son partículas con spin semientero (s = 1/2, 3/2, ...)que cumplen el principio de exclusión de Pauli, por lo que no pueden existir dos fermiones en el mismo estado cuántico. El electrón, el protón y el neutrón son ejemplos típicos de fermiones.

• Clasificación según su estructura interna

Atendiendo a la estructura interna se clasifican en:

Leptones: Los leptones son auténticas partículas elementales , lo que quiere decir que carecen de estructura interna. Atendiendo a su spin son fermiones. Hay seis leptones: el electrón (e^-), el muón (m^-), el tauón (t^-), el neutrino electrónico (n_e), el neutrino muónico (n_m) y el neutrino tauónico (n_t). De ellos sólo el electrón y los neutrinos son estables, mientras que el muón y el tauón son partículas inestables, cuyas vidas medias son muy pequeñas, y que se desintegran en electrones y neutrinos.

CARACTERÍSTICAS DE LOS LEPTONES
NOMBRE	SÍMBOLO	MASA	CARGA	SPIN	ANTIPARTÍCULA
Electrón	e^-	0'51	-1	1/2	e^+
Muón	m^-	106	-1	1/2	m^+
Tauón	t^-	1800	-1	1/2	t^+
Neutrino electrónico	ne	0	0	1/2
Neutrino muónico	nm	0	0	1/2
Neutrino tauónico	nt	0	0	1/2

El Modelo Estándar para clasificar las partículas elementales requería la existencia de un tercer tipo de neutrino, el neutrino tau, como se demostró teóricamente en 1989. Actualmente se trabaja en la determinación de la masa de los neutrinos, así como en la mejora de su detección, ya que en su estudio puede estar una de las claves del conocimiento de la actividad estelar.

Hadrones: Los hadrones no son en realidad partículas elementales, ya que tienen una estructura interna y pueden desintegrarse dando como productos otras partículas. Los podemos clasificar en dos tipos:

Mesones que son bosones (spin entero) e incluyen a los piones. Cuando se desintegran dan leptones y fotones.

Bariones que son fermiones (spin semientero) e incluyen, entre otras partículas, a los protones y los neutrones.

A los bariones se les asigna como característica un valor, denominado número bariónico (B), análogo al número leptónico, de valor 1 para los bariones y -1 para los antibariones; las restantes partículas tienen número bariónico cero. En una transformación debe conservarse el número bariónico.

Dentro de los bariones, a los protones y neutrones se les denomina nucleones, por su presencia en el núcleo atómico, mientras que a los demás se les denomina hiperones.

Excepto el protón y el neutrón, los hadrones tienen una vida media muy pequeña y son difíciles de detectar y estudiar en el laboratorio. Así, mientras que se cree que el protón es estable, la vida media de la partícula lambda es aproximadamente 10^-10 segundos. Veamos algunas características de algunos hadrones:

CARACTERÍSTICAS DE ALGUNOS HADRONES
NOMBRE	SÍMBOLO	MASA	CARGA	SPIN	L	B	ANTIPARTÍCULA
Protón	p	938'28	+1	1/2	0	1
Neutrón	n	939'57	0	1/2	0	1
Partícula Lambda	L^o	1115'6	0	1/2	0	1
Partícula Sigma +	S^+	1189'4	+1	1/2	0	1	S^-
Partícula Sigma 0	S^0	1192'5	0	1/2	0	1	S^0
Partícula Sigma -	S^-	1197'3	-1	1/2	0	1	S^+
Partícula Xi 0	X^0	1314'7	0	1/2	0	1	X^0
Partícula Xi -	X^-	1321'3	-1	1/2	0	1	X^+
Partícula Omega -	W^-	1672'2	-1	3/2	0	1	W^+
Pión negativo	p^-	140	-1	0	0	1	p^+
Pión neutro	p^o	135	0	0	0	1	p^o
Pión positivo	p^+	140	+1	0	0	1	p^-

• Teoría de los quarks

Como acabamos de ver, los hadrones no se pueden considerar partículas elementales, ya que tienen una estructura interna y pueden desintegrarse convirtiéndose en otras partículas. Ahora surge la pregunta: ¿de qué están compuestos los hadrones?

En 1964 Murray Gell-Mann y Georges Zweig propusieron una teoría para explicar la constitución interna de los hadrones: la teoría de los quarks. Según esta teoría los hadrones están compuestos de otras partículas elementales, que denominaron quarks.

Los quarks propuestos presentan propiedades peculiares; en espacial, con relación a la carga del protón, tienen carga fraccionaria.

Además, retomando la simetría partícula/antipartícula se encontró que a cada quark le correspondía su antiquark.

Inicialmente Gell-Mann y Zweig propusieron un modelo de tres quark y sus correspondientes antipartículas, pero posteriormente se ha ampliado a seis quarks y seis antiquarks. Cada tipo de quark se denomina sabor. Hay pues seis "sabores" de quarks. Toda partícula conocida se podía describir como una combianción de quarks y antiquarks. La tabla siguiente presenta las características más importantes de los quarks.

CARACTERÍSTICAS DE LOS QUARKS
NOMBRE	SÍMBOLO	MASA	CARGA	SPIN	L	B	ANTIPARTÍCULA
Up (arriba)	u	3	+ 2/3	1/2	0	1/3
Down (abajo)	d	7	- 1/3	1/2	0	1/3
Strange (extraño)	s	120	- 1/3	1/2	0	1/3
Charm (encanto)	c	1200	+ 2/3	1/2	0	1/3
Bottom (fondo)	b	4200	- 1/3	1/2	0	1/3
Top (cima)	t	175.000	+ 2/3	1/2	0	1/3

Los quarks están fuertemente ligados entre sí y confinados dentro de los hadrones y no se han logrado aislar, aunque si se han detectado indicios de su existencia mediante aceleradores de partículas de muy alta energía.

Hay pues doce partículas elementales constituyentes de la materia: seis leptones y seis quarks. Además existen sus correspondientes antipartículas, con lo que en total tendríamos veinticuatro. Todos los hadrones son combinaciones de quarks. Los mesones estarían formados por un quark y un antiquark, mientras que los bariones están formados por la combinación de tres quarks.

En la materia ordinaria sólo hay cuatro partículas: dos leptones (el electrón y el neutrino electrónico) y dos quarks (u y d). Las demás partículas sólo se observan en la radiación cósmica que alcanza la Tierra o en un laboratorio de alta energía.

Los quarks tienen además otras propiedades interesantes, aunque de muy difícil explicación y a las que se les ha denominado con nombre tan originales como belleza, color, encanto. Así la propiedad color tiene que ver con la fuerza que mantiene unidos a los nucleones. Hay tres variedades de color de quarks, rojo verde y azul. Cuando tres quarks se combinan para formar un barión, cada uno de ellos debe tener un color diferente para que los tres nos dé el color blanco. Evidentemente esto no tiene nada que ver con los colores naturales, y se ha denominado así metafóricamente; lo que significa es que la combinación de esa propiedad de los quarks debe ser nula.

En cualquier transformación o interacción entre partículas deben conservarse la carga, el número leptónico, el número bariónico, la estrañeza, el encanto y el spin.

· Interacciones fundamentales en la naturaleza

Todos los fenómenos que se producen en el Universo se deben a las interacciones entre las partículas que lo componen. Estas interacciones se describen mediante el concepto de fuerza. Así, la caída de un objeto o la "caída" de la Luna hacia la Tierra se describe mediante la fuerza gravitatoria. La estructura de un objeto, la atracción entre imanes o entre cargas eléctricas se hace mediante la fuerza electromagnética. Desde el principio los científicos han tratado de unificar y simplificar el origen de los fenómenos, intentando adjudicar todos ellos a unas pocas causas comunes y a unos tipos fundamentales de comportamiento. Así, como ya hemos estudiado, James C. Maxwell unificó las fuerzas eléctrica y magnética en un único tipo de interacción, la interacción electromagnética, que permitía explicar todos los fenómenos conocidos en su momento sobre los campos de la electricidad y el magnetismo.

En la actualidad, todas las fuerzas o interacciones de la naturaleza se pueden agrupar en cuatro tipos básicos, denominados interacciones fundamentales:

• 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. Gracias a ella se pueden explicar fenómenos como la caída de los cuerpos o el movimiento de los planetas, satélites, estrellas, cometas, etc. Su alcance es infinito y actúa a grandes distancias. 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.

• 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. Gracias a ella se pueden explicar fenómenos tan diversos como los eléctricos, los magnéticos, la interacción entre la luz y la materia, las ondas electromagnéticas (¿cómo funciona un teléfono móvil?), las fuerzas elásticas que se dan en un muelle, la estructura interna de la materia a escala atómica y molecular, así como la química. Es una interacción inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas y es conservativa.

La interacción electromagnética explica la estructura cristalina

• Interacción nuclear fuerte. La 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.

• Interacción nuclear débil. La interacción nuclear débil se produce entre partículas leptónicas o hadrónicas. Explica algunos procesos nucleares, como la desintegración b 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.

Esquema de una emisión beta

• Interacciones y partículas

Cuando se aplican los principios de la Física cuántica al estudio de las partículas subatómicas se explica la interacción entre dos partículas por el intercambio de una tercera, que recibe el nombre de partícula de campo o bosones gauge. Es esta partícula la que origina la fuerza o interacción entre las dos partículas materiales. Esta idea de transmisión de la fuerza mediante una partícula inermedia se debe a Hideki Yukawa, que en 1934 propuso la existencia de una partícula, el mesón p o pión, para describir la interacción entre los nucleones. Según esta hipótesis, cada nucleón está emitiendo y reabsorbiendo continuamente piones virtuales, los cuales lo rodean como un enjambre. Cuando están cerca, dos nucleones intercambian un pión. La transferencia de momento lineal produce un efecto de fuerza.

Los nucleones emisores no pierden masa, luego a los piones virtuales sólo se les permite su breve existencia por el principio de incertidumbre. Para crear "piones reales", la masa que se pierde se debe suministrar por la energía de un choque.

Actualmente se denominan gluones a las partículas intermedias responsables de la interacción fuerte. En el siguiente esquema se muestra como un quark u rojo se convierte en un quark u azul y viceversa, mediante un gluón intermedio; mediante este proceso se explica la interacción fuerte.

Se cree que todas las fuerzas fundamentales son transportadas por partículas de intercambio. El fotón es la partícula intermediaria de las fuerzas electromagnéticas; la fuerza entre dos partículas cargadas se produce por intercambio de fotones entre ellas. Así, los electrones se repelen unos a otros intercambiando fotones virtuales. Este proceso se puede representar utilizando un diagrama de Feynman, como el siguiente. Para que existan fotones "reales" se debe suministrar energía.

En el caso de la interacción débil las partículas intermediarias son los denominados bosones vectoriales W^-, W⁺ y Z⁰, detectados por primera vez en el CERN, por Carlo Rubbia y Simon Van der Meer en 1983. El esquema siguiente representa una desintegración b: un quark d setransforma en un quark u, emitiendo un bosón vectorial W^-, el cual se desintegra en un par electrón y antineutrino (para conservar el número leptónico).

Explicación de una desintegración b mediante un bosón vectorial W^-

En el caso de la atracción gravitatoria la partícula mediadora sería el gravitón, pero no existen evidencias concluyentes de su existencia y su existencia sólo es una hipótesis de trabajo.

La siguiente tabla es un resumen de todo lo anterior.

INTERACCIONES Y PARTÍCULAS
INTERACCIÓN	FUERZA RELATIVA	DISTANCIA DE INTERACCIÓN	PARTÍCULA MEDIADORA	PARTÍCULAS QUE INTERACCIONAN
Nuclear fuerte	1	10^-15	gluón	hadrones
Electromagnética	10^-3	infinita	fotón	con carga eléctrica
Nuclear débil	10^-8	10^-17	bosones vectoriales	todas
Gravitatoria	10^-45	infinita	gravitón	todas

Las partículas que constituyen la materia son fermiones, no hay dos en el mismo estado energético, mientras que las que transmiten la fuerza son bosones, pueden estar en el mismo estado energético.

En definitiva, hay doce partículas elementales, que sufren diferentes interacciones, como podemos ver en la siguiente tabla:

Características		Quarks		Leptones
Normales	1ª Familia	u	d	e	ne
Alta Energía	2ª Familia	c	s	m^-	nm
Alta Energía	3ª Familia	t	b	t^-	nt
Carga eléctrica		+ 2/3	- 1/3	-1	0
Interacciones que les afectan	Fuerte	sí	sí	no	no
	Electromagnética	sí	sí	sí	no
	Débil	sí	sí	sí	sí
	Gravitatoria	sí	sí	sí	sí

Como ya hemos indicado, cada una de las doce partículas anteriores tiene su correspondiente antipartícula.