Las partículas elementales son aquellas que no están constituidas por otras más elementales. Hacia 1930, las partículas elementales eran los constituyentes de la materia formada por electrones, protones y neutrones. Además se conocían el fotón, el positrón y el neutrino.

Desde entonces la experimentación nuclear, los aceleradores de partículas y las reacciones nucleares hicieron que, a partir de 1934, se descubrieran una gran cantidad de partículas y antipartículas ( Para cada tipo de partícula existe su antipartícula). Las partículas eran tantas que hubo que establecer una clasificación en cuatro grupos: Los fotones, los leptones (electrón, neutrino, muón), los mesones (pión y kaón) y los bariones (protón, neutrón y sigma).

Imagen 37. Arpad Horvath. Creative commons.

Cada partícula dispone de su antipartícula, que tiene la misma masa y carga opuesta, además de otras propiedades. Si una partícula choca con su antipartícula, ambas se aniquilan y la masa total se transforma en energía. También sucede el proceso contrario, es decir, la producción de pares partícula-antipartícula. La antipartícula del electrón es el positrón, la del protón el antiprotón y la del neutrón el antineutrón.

En 1964, Murray Gell-Mann y George Zweig sugirieron que los protones y los neutrones estaban compuestos por partículas más elementales, los quarks.

La evolución de la física de partículas ha hecho que se establecieran varias teorías como el modelo original del quark, la cromodinámica cuántica (QCD) o la teoría electrodébil.

Una combinación de la teoría electrodébil y de la cromodinámica cuántica constituye el Modelo estándar, que puede resumirse:

A) Los leptones son partículas elementales. El número total de leptones es seis (y sus correspondientes antipartículas)

B) Los mesones y los bariones no son partículas elementales, sino que están constituidos por otras partículas más pequeñas, prácticamente puntuales, denominadas quarks. Los mesones contienen dos quarks, mientras que los bariones contienen tres quarks. Los mesones y bariones constituyen los hadrones. Existen seis quarks y sus correspondientes antiquarks,

C) Existen cuatro partículas que sirven de mediadoras en las interacciones funda­mentales que ocurren entre ellas, son bosones.

La primera familia o generación de constituyentes básicos está formada por cuatro fermiones (y sus antipartículas), los quarks, up y down, y los leptones, electrón y neutrino electrónico. La mayor parte de la física ordinaria pertenece a esta familia. Son los constituyentes de la materia común.

Imagen 39. Arpad Horvath. Dominio público.

La segunda familia o generación de constituyentes fundamentales la forman otros dos quarks, el strange y el charm y los leptones, muón y neutrino muónico. Forman lo que se conoce como materia extraña.

La tercera familia o generación la constituyen los otros dos quarks, top y bottom y los otros dos leptones, el tau y el neutrino tauónico.

Fuerzas fundamentales de la naturaleza

Las partículas elementales interaccionan entre sí. La mecánica cuántica y la relatividad especial, han permitido ver que las fuerzas básicas se originan por intercambio de partículas que llevan energía y momento de una partícula a otra. Actualmente se admiten en la naturaleza cuatro fuerzas fundamentales, con las siguientes características:

Animación 6. Manishearth. Creative commons.

• Fuerza Gravitatoria: Afecta a todas las partículas. Es de alcance infinito. Es relativamente muy débil. Es la responsable de la estructura general del Universo.La partícula mediadora sería el gravitón pero no ha sido detectada.

• Fuerza Electromagnéticas: Actúa entre partículas cargadas. Puede ser atractiva o repulsiva. Es de alcance infinito.. Es la responsable de que los átomos, moléculas y materia en general permanezcan unidos. La partícula mediadora es el fotón, .

Las fuerzas gravitatoria y electromagnética son suficientes para explicar la estructura de la materia a nivel atómico, pero para explicar los fenómenos relacionados con el núcleo se necesitan otras dos fuerzas, la fuerte y la débil.

• Fuerza nuclear Fuerte: Actúa entre los quark y los gluones dando lugar a los protones, neutrones y otras partículas. Es de corto alcance y muy intensa. Los gluones son las partículas mediadoras. Mantienen unidas las partículas que componen el núcleo atómico.

• Fuerza nuclear Débil: Actúa entre quarks y leptones. Es de alcance muy corto. Aparece en la desintegración de los núcleos radiactivos, transmuta un quark down en un quark up y un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un neutrino.Las partículas mediadoras son los bosones Z, W⁺ y W^-.

El modelo estandar predice la existencia de una partícula, el bosón de Higgs, que es la que provee de masa a otras partículas como los bosones Z y W^± , los quarks y los leptones. No ha sido observado. Se espera que el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC), construido en el CERN, pueda confirmar o desmentir la existencia de este bosón.