las fuerzas fuk,mñpndamentales de la naturaleza y su partícula mediadora

7/25/2019 Las Fuerzas Fuk,mpndamentales de La Naturaleza y Su Partcula Mediadora

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Las Fuerzas Fundamentales de la Naturaleza y su Partcula Mediadora

Todos los fenmenos naturales pueden describirse por medio de cuatro fuerzas

fundamentales entre partculas elementales. La fuerza fuerte es la que posee

mayor intensidad, luego le sigue la fuerza electromagntica, despus la fuerza

dbil y por ltimo la fuerza gravitacional que es la de menor intensidad.

La fuerza de interaccin fuerte es la que mantiene unidos a los nucleones, es

de corto alcance, es la interaccin que mantiene unidos a los quarks para

formar adrones !protones, neutrones y mesones" y a los protones y neutrones

para formar el ncleo atmico. #ste tipo de interacciones se transmite a travs del

campo nuclear o campo de gluones. La partcula mediadora es el glun. $ctan

solo a distancias que tienen las dimensiones del ncleo atmico.

Las fuerzas electromagnticas son las que determinan la estructura de la envoltura atmica, la concatenacin

de los %tomos en molculas y la formacin de los cuerpos slidos y lquidos. #s difcil y casi imposible

se&alar un fenmeno que no est relacionado con la accin de estas fuerzas, y es difcil enumerar la diversidad

de sus manifestaciones. La interaccin electromagntica es la que se produce entre las partculas o cuerpos

electrizados, ya sea en movimiento o en reposo. #stas fuerzas de tipo electromagntico pueden ser de

atraccin o repulsin, tienen un radio de accin infinito, se transmiten a travs del campo electromagntico, la

interaccin gravitatoria se transmite a travs del campo electromagntico y la partcula mediadora en este tipo

de interaccin es el fotn.

La interaccin dbil es la responsable de cierto tipo de desintegraciones, como la desintegracin beta de los

ncleos atmicos, es de corto alcance, es decir acta a distancias menores que las dimensiones del ncleo de

los %tomos. #sta interaccin es responsable de que un quark de un tipo se transforme en un quark de otro tipocomo ocurre en la desintegracin 'eta de los ncleos, se transmiten a travs

del campo de bosones. Las partculas mediadoras son los bosones vectoriales

() y *+.

Las interacciones gravitatorias son interacciones atractivas que se eercen

entre todos los obetos que poseen masa. #ste tipo de interaccin es la

responsable de la estructura y movimiento de los grandes cuerpos en el

-niverso planetas, satlites, estrellas, gala/ias, entre otros. Todos los

cuerpos en el -niverso se atraen con fuerzas que son directamente

proporcionales al producto de sus masas e inversamente proporcionales alcuadrado de la distancia que los separa, es decir las fuerzas de interaccin

gravitatoria se rigen por la ley de 0ravitacin -niversal descubierta por 1saac

2e3ton. 4on las m%s universales de todas las fuerzas conocidas, tienen un radio de accin infinito, actan

desde las distancias peque&simas que separan a las partculas en el interior de los ncleos atmicos asta las

enormes distancias que separan a las gala/ias en el cosmos, se transmiten a travs del campo gravitatorio y se

supone que las partculas mediadoras en las interacciones de tipo gravitatorio son las llamadas gravitones.
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4egn estudios de fsica, se conoce que la fuerza es la causa de la variacin de la velocidad de los cuerpos, la

causa de la variacin de su estado mec%nico, la causa de que un cuerpo se mueva por una trayectoria

curvilnea, la fuerza es un concepto que nos da la medida de la interaccin entre los

cuerpos, las fuerzas no e/isten aisladas, siempre surgen de la interaccin entre

los cuerpos, e/isten en pareas.

#/iste una gran variedad de fuerzas en el -niverso las fuerzas que

mantienen a los planetas, cometas y otros cuerpos orbitando alrededor del 4ol,

las que permitieron la formacin de gala/ias y el lanzamiento de naves

espaciales, las que se producen entre cuerpos electrizados, la que ace que las partculas

se muevan en los grandes aceleradores, las que mantienen a los electrones ligados al ncleo de los %tomos, las

que permiten la flotacin de los barcos, o que un globo ascienda en el aire.

1nteraccin 5uerza 5uerte

#n el interior del ncleo, los nucleones eercen una fuerza atractiva intensa sobre otros nucleones

pr/imos. #sta interaccin, conocida como 5uerza nuclear fuerte o fuerza adrnica, es muco m%s intensa

que la fuerza electrost%tica de repulsin que e/iste entre los protones y mucsimo m%s intensa que la fuerza

gravitatoria que se da entre los nucleones. La interaccin nuclear fuerte es apro/imadamente la misma entre

dos neutrones, dos protones, o un neutrn y un protn. 2aturalmente, entre dos protones se eerce una fuerza

electrost%tica repulsiva mutua debida a sus cargas, que tiende a debilitar ligeramente la atraccin entre ellos.

La interaccin nuclear fuerte disminuye r%pidamente con la distancia y es despreciable cuando dos nucleones

se encuentran a una distancia mayor de unos pocos femtmetros. !Tipler, 6 y 7osca, 0, 8+9+".

-no de los logros m%s importantes de la 5sica de 6artculas a sido el descubrimiento de un patrn

con el que clasificar gran parte de las partculas que interaccionan fuertemente, denominadas adrones,

llamado modelo quark, segn el cual los adrones est%n compuestos por los quarks u !arriba", d !abao", s

!e/tra&o", c !encanto", b !belleza" y t !top" y los antiquarks correspondientes. :ada uno de estos quarks

transporta un nmero cu%ntico caracterstico, denominado sabor. ;e acuerdo con este modelo, los mesones

est%n constituidos por un quark y un antiquark mientras que los bariones est%n constituidos por tres quarks.

Los quarks se suponen fermiones !espn8", pero con una carga igual a una fraccin de la carga del protn

!q? @e>?". Los nmeros cu%nticos !espn, sabor, paridad y carga" de la mayor parte de los adrones

conocidos se pueden e/plicar mediante este modelo. 6or eemplo, en la figura 9 se muestra el espectro de

e/citacin del nuclen asta masas de 9A++ 7eB>c8, en el que los estados e/citados se identifican por los

valores del isospn !18 para los estados 2C e 1 < ?>8 los estados D" y del momento angular y paridad. Los

nmeros cu%nticos de los estados e/citados mostrados, y en menor medida sus masas, se e/plican
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satisfactoriamente mediante el modelo quark. #stos estados no son realmente estados estables, sino

resonancias de vida media muy corta, que se manifiestan como m%/imos de la seccin eficaz de e/citacin, y

se observan para distintos tipos de proyectiles y blancos. !;az E. y 2ieves E, 8++F".

-n aspecto crucial de la 5sica de adrones es la descripcin de sus interacciones a partir de las

interacciones entre los quarks que los forman. #n los a&os A+ se desarroll la teora de la :romodin%mica

:u%ntica !G:;", en la que las interacciones entre quarks se describen mediante el intercambio de bosones

denominados gluones. Tanto a los quarks como a los antiquarks se les asigna una propiedad denominada

color, similar a la carga elctrica, y que tiene tres valores distintos, tal y como se deduce del an%lisis de la

razn de secciones eficaces H !eIe@ J adrones">H !eIe@ JKIK@" de la ancura de desintegracin del

proceso + J MM. Los gluones, mediadores de la interaccin entre los quarks, aparecen en oco estados de

color diferentes y tampoco se an observado como partculas libres, aunque se cree que tambin se encuentran

ligados en el interior de los adrones. 4in embargo, e/isten slidas evidencias e/perimentales de su e/istencia

a partir de la observacin de procesos a alta energa, en los que se observan corros de adrones llamados ets.

:oncretamente, en colisiones electrnNpositrn a alta energa, el nmero relativo de sucesos eIe@ J 8 ets y

eIe@ J ? ets coincide con la proporcin predica por G:; para los procesos eIe@ J qqO y eIe@ J qqO g

donde q representa un quark, qO, su correspondiente antiquark y g un glun. !;az E. y 2ieves E, 8++F".

Las masas de los adrones en el seno de materia adrnica densa y caliente podran ser diferentes

que en el vaco adrnico. $dem%s, al producirse una disolucin parcial de los adrones en sus quarks

constituyentes, se favorecera su desintegracin, producindose una disminucin de su tiempo de vida. La

investigacin e/perimental de las modificaciones sufridas por las propiedades de los adrones en la materia

nuclear es, por tanto, de crucial importancia para entender el grado de ruptura de la simetra quiral en materia

nuclear en funcin de su densidad y temperatura. #stas investigaciones son tambin relevantes para entender

las propiedades de determinados tipos de astros, como las estrellas de neutrones y las e/plosiones de estrellas

supernovas, que se pueden considerar en cierta forma como ncleos atmicos gigantescos. !;az E. y 2ieves

E, 8++F".


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5uerzas gravitatorias

:uando ablamos de fuerza gravitatoria ablamos de fuerzas que se perciben diariamente y a gran escala, es

por ella que caminamos y no flotamos. !0etty, Peller, 8++Q" 5ue descubierta ya ace mucos a&os por un

brillante fsico llamado 1saac 2e3ton, el cual logr unificar las distintas ideas que se tenan. #n sus a&os

era sabido que la tierra orbitaba en torno al sol, la e/istencia de otros planetas y que ellos tambin orbitaban

en torno a l, tambin era sabido que las cosas al dear de sostenerlas se caan con la misma aceleracinllamada aceleracin de gravedad su valor a nivel del mar m%s aceptado actualmente es de R.F m>s8. Lo

brillante de 2e3ton fue darse cuenta que todos esos fenmenos ocurran por un slo motivo, al cual llam

fuerza gravitatoria. La fuerza de atraccin gravitatoria entre dos cuerpos es un fenmeno universal todas laspartculas eercen entre s una fuerza gravitatoria de atraccin. !Som%n, 8++Q" :omo bien se dio esta fuerza

fue descubierta por 2e3ton y publicada en 9QFQ, cuando le cay una manzana en la cabeza mientras acia

una siesta debao de un manzano.

#sta ley dice lo siguienteToda partcula material del -niverso atrae a cualquier otra partcula con una fuerza que es directamente

proporcional al producto de las masas de ambas partculas, e inversamente proporcional al cuadrado de la

distancia que las separa y dirigida segn la recta que las uneU.

;ica informacin se representa por medio de la siguiente frmula

#n esta frmula, podemos se&alar los siguientes aspectos

V Las fuerzas gravitatorias son siempre de atraccin, no e/isten fuerzas gravitatorias de repulsin.

V Las fuerzas se producen a pares, por eemplo, la Luna atrae a la Tierra con la misma fuerza con que la Tierra

atrae a la Luna.V Los cuerpos se comportan como si toda su masa estuviera concentrada en su centro de gravedad, entonces S

es la distancia entre los centros de las esferas planetarias. !5uerza elctrica"


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:uando 2e3ton public por primera vez su teora de la gravitacin, para sus contempor%neos fue difcil

aceptar la idea de un campo de fuerza que pudiera actuar a travs de una distancia. 4e preguntaban cmo era

posible que dos masas interactuaran aun cuando no estuvieran en contacto entre s. !:aicedo, 0ravitacion"

$unque el propio 2e3ton no pudo responder a esta pregunta, su teora fue ampliamente aceptada debido aque e/plic de manera satisfactoria el movimiento de los planetas. -n planteamiento alternativo en la

descripcin de la interaccin gravitacional, por lo tanto, es introducir el concepto de un campo gravitacional

que cubre cada punto en el espacio. !Ley de gravitacin universal"

Wasta la feca se desconoce la e/istencia de la partcula portadora de esta interaccin. 4e supone su e/istenciay es llamada gravitnU, a pesar del esfuerzo de algunos, su e/istencia no est% totalmente probada.

6ara comprender este tipo de fuerza observemos el siguiente video

ttp>>333.youtube.com>3atcXv>333.youtube.com>3atcXv


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6roceso de radiactividad natural del -ranio

;e estos ltimos oy se conoce que e/isten tres diferentes tipos.

#n 9R8R 6auli propone la emisin de los neutrinos, y adem%s postulo que de las emisiones conocidas $lfa,

'eta, 0ama, deban emitirse otras partculas a las que denomin neutrinos y antineutrinos y que los mismos

no presentan masa y adem%s de una carga nula.6ara 9R[? las predicciones de 6auli se confirman, esto cuando los cientficos Seines y :o3an descubren los

neutrinos de esta forma se confirma lo que propuso 6auli.

La fuerza de interaccin dbil presenta ciertas caractersticas las cuales segn !Soman" se denomina

$ccin $cta sobre las partculas denominas leptones y quarks.$lcance 7enos de 9+N9[m

4e puede agregar a estas propiedades la que cita !7ontiel, 8+99" cuando se refiere a esta fuerza y menciona

la fuerza interaccin dbil es capaz de vencer la repulsin electrost%tica entre los protonesU

Ztra propiedad que presenta esa interaccin dbil o fuerza dbil es, su partcula mediadora la cual son losbosones en 9R?A el sueco Zskar Pleim predio la e/istencia los bosones cargados (I , (N.

6ara 9R[F Eeon (ard cierra las ideas virtuales del campo nuclear dbil al proponer la e/istencia de la

e/istencia del boson *La e/istencia de los anteriores bosones fue confirmado en 9RF?, de eco su descubridores recibieron el

premio nobel por su trabao segn cita !5reedaman, 4ears, \oung, ] *emansky, 9RRR"

la partculas (I,(N, * son de corta duracin , la e/istencia de esta partcula fue confirmada en 9RF? en

e/perimentos llevados en el :#S2 por lo que :arlos Subbia y 4imn van der 7eer se les otorgo el premionoble de fsica en 9RF^U.

$ pesar de que en nuestros das la radiactividad ya no es algo tan nuevo, surgen otras interrogantes con

respecto al comportamiento de los ncleos atmicos, porque en ellos e/iste muca informacin del _cmo

funciona mucos aspectos fsicos del universoX, entre estos la e/istencia de la materia oscura, y _si e/isteX_:u%l es su composicinX son tanto los enigmas que encierra las fuerza nucleares que es imposible omitirlas.


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La figura representa el decaimiento 'eta

Conclusin#/isten cuatro fuerzas fundamentales las cuales presentan posibles partculas que le es inerente a esta. La

partcula del para fuerza gravitara es el gravitn, mientras que la fuerza nuclear fuerte utiliza la partcula

gluon, por otro lado la partcula de la fuerza electromagntica es el fotn y finalmente la partcula de

interaccin nuclear dbil presenta unas partculas denominadas partculas llamadas bosones (I, (N,*+ .La fuerza nuclear fuerte y dbil reside en el nucleo, para la fuerza de la gravedad es la m%s importante entre

dos obetos que est%n separados, mientras tanto los %tomos y las molculas se mantienen ligadas por las

fuerzas de la electricidad.

Las fuerzas fundamentales de la naturaleza son las mismas para toda la materia en el universo.

;e a que cientficos como #instein trabao sus ltimos anos en el estudio de estas fuerzas para crear una

solo teora de fuerza, durante los ltimos a&os se abla de interaccin electromagntica y dbil aora se

abla de electrodbil y en cierto sentido esto reduce el nmero de clases de interacciones de ^ a ?. Tambinse a intentado entender las interacciones fuerte, electromagntica y dbil dentro una sola gran teora

unificada !0-T" se a dado los primeros pasos tentativos acia una posible unificacin de todas las

interacciones en una teora de todo !TZ#", #sta teoras aun no son especulativas, y ay mucas preguntas

sin respuesta en este campo de investigacin tan activo.
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