Nucleones (p+), (n0) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Nucleones (p+), (n0)

Los nucleones son partículas que forman el núcleo atómico (el protón y el neutrón) formadas por tres quarks (u y d), unidas por la fuerza fuerte.

Son bariones estables, fermiones de espín ½, y constituyen la base de toda la materia visible del universo, lo que es denominado como Materia Ordinaria.

Existen dos tipos:

Ambos son bariones, es decir, están compuestos por tres quarks unidos por la fuerza fuerte, mediada por gluones.

• Los quarks up (u) tienen carga +2/3 e
• Los quarks down (d) tienen carga −1/3 e

El campo de gluones y los pares virtuales quark–antiquark (llamado el “mar de quarks”) aportan la mayor parte de la masa efectiva del nucleón, no los quarks en sí.

Propiedades típicas de los Nucleones:

Propiedades en los Átomos:

• Los protones determinan el número atómico (Z) (la identidad química del elemento).

• Los neutrones determinan el isótopo (N) (su estabilidad nuclear).

El número total de nucleones (protones + neutrones) se llama número másico (A):

A=Z+N

Por ejemplo, el carbono-12 (12 C) tiene:

• 6 protones,
• 6 neutrones.

 

Fuerza nuclear residual

Aunque los nucleones están formados por quarks ligados por la fuerza fuerte interna, entre los nucleones mismos actúa una versión residual de esa fuerza: la fuerza nuclear.

Esta interacción (mediada por mesones como el pión π) es la que mantiene unidos los protones y neutrones dentro del núcleo, venciendo la repulsión eléctrica entre los protones.

• p + p → p + p + π0 (intercambio de piones)

Importancia cosmológica

Los nucleones surgieron unos 3 minutos después del Big Bang, durante la nucleosíntesis primordial, cuando los quarks se habían ya confinado en hadrones y el universo se enfrió lo suficiente para que se formaran los primeros núcleos (como el hidrógeno y el helio).

Sin nucleones:

• No existiría la materia estable,
• No habría átomos, ni estrellas, ni química, ni vida.

Son los bloques de construcción de toda la materia visible en el universo.

• Materia visible ≈ Nucleones + Electrones

.

Bariones Ligeros No Hiperones (Δ), (p+), (n0) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Bariones Ligeros No Hiperones (Δ), (p+), (n0)

Los bariones no hiperones son el grupo de bariones que no contienen el quark strange {s} ni ningún quark más pesado charm {c}, bottom {b}, top{t}. Esto implica que su extrañeza (S) es cero.

Su importancia radica en que en su mayoria son nucleones (protones y neutrones) y sus estados excitados más simples, siendo fundamentales para la estructura atómica.

Diferencias clave entre bariones no hiperones e hiperones:

En el modelo SU(3) de sabor, los bariones ligeros forman un octete (espín ½) y un decuplete (espín 3/2). Los nucleones (no hiperones) ocupan la parte superior del octete.

Los protones y neutrones están en el extremo superior sin quarks extraños, por eso se llaman bariones no hiperones o simplemente nucleones. Mientras los bariones Δ tienen espín 3/2 (en lugar de ½) y pertenecen al decuplete bariónico de SU(3). Están compuestos igualmente solo de quarks u y d, es decir, no contienen quarks extraños.

Estos son los análogos excitados (más energéticos) de los protones y neutrones, con todos sus espines alineados (por eso su espín total es 3/2).

OCTETE

DECUPLETE

Barión Sigma (Σ) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

 Barión Sigma (Σ)

Definición clara del Barión Sigma (Σ):

Los Bariones Sigma (Σ) son una familia de bariones formados por dos quarks ligeros (u o d) y un quark extraño (s). Son hiperones, es decir, bariones con extrañeza, y aparecen en tres variantes cargadas: Σ⁺, Σ⁰ y Σ⁻. Suelen desintegrarse mediante la interacción débil en otros bariones más ligeros, como el nucleón o el Λ. Representan un paso intermedio entre los nucleones y los hiperones más pesados.

Tabla de características de la familia Sigma (Σ⁺, Σ⁰, Σ⁻):

Barión Omega (Ω) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Barión Omega (Ω)

Definición clara del Barión Omega (Ω):

El Barión Omega (Ω) es un tipo de barión compuesto exclusivamente por tres quarks extraños (sss). Fue la primera partícula hallada cuya estructura consistía en tres quarks del mismo tipo. Pertenece a la familia de los bariones hiperones, y se caracteriza por tener extraña altísima, carga eléctrica negativa y una vida media muy corta. Su descubrimiento confirmó de forma contundente el modelo de quarks.

Tabla de características del Barión Omega (Ω⁻):

Barión Xi (Ξ) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Barión Xi (Ξ)

Definición clara del Barión Xi (Ξ):

Los Bariones Xi (Ξ), también llamados “cascada”, son hiperones compuestos por dos quarks extraños (s s) y un quark ligero (u o d). Existen en dos variantes principales: Ξ⁰ y Ξ⁻. Debido a su doble contenido extraño, son más pesados y menos estables que los bariones Lambda y Sigma. Se desintegran en cascada mediante la interacción débil, típicamente pasando primero por un barión Lambda antes de llegar a nucleones.

Tabla de características de los Bariones Xi (Ξ⁰ y Ξ⁻):

Barión Lambda (Λ⁰) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Barión Lambda (Λ⁰)

Definición clara del Barión Lambda (Λ):

El Barión Lambda (Λ) es un barión hiperón formado por un quark extraño (s) y dos quarks ligeros (u y d). Es el hiperón más ligero y estable dentro de la familia extraña. Posee espín 1/2, carga eléctrica neutra, y su presencia es clave en procesos de interacción fuerte y débil en física de partículas. Su desintegración ocurre principalmente mediante la interacción débil en un protón o un neutrón acompañados de un pión.

Tabla de características del Barión Lambda (Λ⁰):

Bariones Pesados Hiperones (Λ), (Σ), (Ξ), (Ω) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Bariones Pesados Hiperones (Λ), (Σ), (Ξ), (Ω)

Familia Lambda (Λ)

Hiperones con un quark extraño (s), uno up (u) y uno down (d). Son los más ligeros y los primeros descubiertos.

Las versiones con quarks c (charm) o b (bottom) son técnicamente bariones pesados, pero a veces se agrupan dentro de la familia “hiperónica” extendida en la actualidad.

Familia Sigma (Σ)

También con un quark extraño, pero diferente combinación de up y down. Son un poco más masivos que los Λ.

Familia Xi (Ξ) — “Cascade”

Estos hiperones tienen dos quarks extraños (ss) y uno ligero (u o d). Por eso se les llama a veces “doblemente extraños”.

Familia Omega (Ω)

Son los hiperones más pesados y extraños conocidos. Pueden tener tres quarks extraños (sss) o incluir quarks más pesados como charm o bottom.

Estos son todos los hiperones conocidos y confirmados experimentalmente, incluyendo sus variantes con quarks más pesados (charm y bottom), que forman parte de la familia extendida de bariones exóticos.

Tabla Exhaustiva de Hiperones de Estado Base y Resonancias Clave:

La tabla presenta la colección completa de los hiperones canónicos de estado fundamental y las resonancias que completan los multipletes SU(3) del Octeto  y del Decupleto , que representan los estados de tres quarks más ligeros con extrañeza no nula.

Clasificación Exhaustiva de Hiperones de Estado Base y Resonancias J=3/2.

Todas las partículas listadas tienen antipartículas correspondientes , donde los quarks constituyentes son reemplazados por sus antiquarks correspondientes. Los números en paréntesis para las resonancias denotan su masa aproximada en , siguiendo la nomenclatura estándar del Particle Data Group (PDG).

Resonancias Hiperónicas y los Estados Excitados

Las resonancias hadrónicas son estados excitados de las partículas de estado base. Tienen vidas extremadamente cortas, generalmente del orden del tiempo de tránsito de la interacción fuerte (10^-23 segundos), y decaen inmediatamente a partículas más estables.

 Extensión de las Familias de Hiperones (Bariones Extraños Pesados)

Aunque la definición canónica restringe los hiperones a los sabores u, d, s, la espectroscopía hadrónica moderna ha extendido el estudio a bariones que contienen quarks extraños junto con quarks de sabor pesado (encanto c o fondo b). Estos se denominan a menudo bariones extraños pesados y se clasifican en familias específicas como Lambda_c, Xi_c, Omega_c, o sus análogos con b.

Hiperones (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Hiperones

Los hiperones son un tipo especial de bariones, es decir, partículas subatómicas compuestas por tres quarks, pero con una característica que las distingue:

• Uno o más de sus quarks son (quarks strange).

Un hiperón puede definirse como un barión que contiene al menos un quark extraño, además de quarks up y down. El quark extraño (s) es más masivo que los quarks ligeros comunes, lo que hace que los hiperones sean más pesados que los protones y neutrones.

Al igual que otros bariones, los hiperones están unidos por la fuerza nuclear fuerte, intercambiando gluones, pero su estructura interna y su comportamiento son más complejos debido a la presencia del quark extraño.

Naturaleza y comportamiento:

Dentro de un hiperón, los tres quarks están en constante movimiento e interacción, creando una nube densa de energía confinada. Sin embargo, el quark extraño introduce nuevos niveles de energía y masa, y también modifica la forma en que la partícula se desintegra. Los hiperones no son estables, tienen vidas extremadamente cortas (una fracción de segundo) y tienden a desintegrarse en partículas más ligeras, como protones, piones y kaones.

Estas desintegraciones ocurren mediante la interacción débil, que permite cambiar el tipo de quark en su interior.

Algunos Hiperones conocidos:

• Lambda (Λ⁰): formada por quarks up, down y strange (uds). Es el hiperón más ligero y fue el primero descubierto (1947).

• Sigma (Σ⁺, Σ⁰, Σ⁻): combinaciones diferentes de up, down y strange.

• Xi (Ξ⁰, Ξ⁻): contienen dos quarks extraños, por lo tanto más pesados.

• Omega (Ω⁻): contiene tres quarks extraños (sss), la forma más “pura” de hiperón extraño.

Importancia Científica:

Los hiperones son muy valiosos para la física teórica porque:

• Revelan cómo actúa la fuerza fuerte cuando se incluyen quarks más masivos.
• 
  
• Ayudan a entender la estructura interna de los bariones y las reglas de simetría del modelo de quarks.
• 
  
• Tienen un papel potencial en los núcleos hiperónicos (materia densa con hiperones), que podrían existir en el interior de estrellas de neutrones.
• 
  
• Permite comprender cómo cambia la materia bajo presiones y energías extremas.

Bariones (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Bariones

Un barión puede entenderse como una estructura estable de energía confinada, donde tres quarks interactúan constantemente, intercambiando gluones (las partículas mediadoras de la fuerza fuerte).

Esa interacción es tan intensa que los quarks nunca pueden separarse completamente, están confinados dentro del barión en un movimiento perpetuo y colectivo. En otras palabras, un barión no es una “bola sólida”, sino un sistema dinámico de energía, una especie de “vórtice cuántico” en el que la materia y la energía están en equilibrio.

Los bariones más conocidos:

Los más estables y fundamentales para la existencia de la materia ordinaria son:

• Protón: formado por dos quarks up y un quark down (uud).

Es estable y constituye la carga positiva del núcleo atómico.

• Neutrón: formado por un quark up y dos quarks down (udd).

Es ligeramente más pesado que el protón y, aunque fuera del núcleo se desintegra, dentro del núcleo es estable y esencial para la cohesión de la materia.

Estos dos bariones son la base de toda la materia visible: todo átomo existe gracias a combinaciones de protones y neutrones.

Naturaleza y comportamiento:

Dentro de un barión, los tres quarks no están quietos ni fijos:

• Se mueven a velocidades cercanas a la luz.
• Intercambian constantemente gluones.
• Crean un campo de energía denso y fluctuante.

Este intercambio continuo de energía es lo que genera la masa del barión.

De hecho, la mayor parte de la masa de un protón o un neutrón no proviene de los quarks en sí, sino de la energía del campo que los une.

Así, un barión no es tanto una colección de quarks, sino una configuración estable del campo fuerte.

Otros bariones:

Además de los protones y neutrones existen muchos bariones menos estables (como el Lambda (Λ), Sigma (Σ), Xi (Ξ) y Omega (Ω)), que solo aparecen en condiciones extremas, como en aceleradores de partículas o en el interior de estrellas de neutrones.

Aunque tienen vidas muy breves, ayudan a entender cómo los quarks se agrupan y cómo la energía se organiza en diferentes niveles.

Hadrones (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Hadrones

Los hadrones son partículas subatómicas compuestas, formadas por quarks que están unidos entre sí por la fuerza nuclear fuerte. Esa fuerza actúa a través de los gluones, que funcionan como los “mensajeros” o “pegamento” que mantiene los quarks cohesionados. Podemos pensar en los hadrones como pequeños sistemas de energía confinada, donde los quarks no pueden existir libres: están permanentemente ligados, vibrando e intercambiando energía dentro de un espacio diminuto.

El término hadrón viene del griego hadros, que significa “fuerte” o “robusto”, haciendo referencia a la fuerza nuclear fuerte que los mantiene unidos y a su papel esencial en la estructura de la materia.

Los hadrones son la materia común del universo. Todo lo que tiene masa visible (como los protones y neutrones de los átomos) está hecho de hadrones. Sin ellos, no habría núcleos atómicos ni, por tanto, átomos o materia estable.

Cada hadrón tiene una estructura interna dinámica, no estático, los quarks dentro de él se mueven a velocidades relativistas, intercambiando constantemente gluones y formando un sistema de energía en equilibrio. Por eso, un hadrón no puede entenderse como una “caja con tres bolitas”, sino como una nube vibrante de energía cuántica confinada.

Tipos de hadrones:

Existen dos grandes tipos principales:

• Bariones

Son hadrones formados por tres quarks. Los ejemplos más conocidos son el protón y el neutrón, que forman los núcleos atómicos. Tienen una masa relativamente alta y son estables o de larga vida.

• Mesones

Son hadrones formados por un quark y un antiquark. Suelen ser menos estables y tienen una vida muy corta. Actúan como portadores de la interacción fuerte residual entre protones y neutrones dentro del núcleo (una especie de “puente” entre bariones).

Más allá de los tipos clásicos:

En los últimos años, los físicos han descubierto hadrones exóticos, como:

• Tetraquarks (cuatro quarks),
• Pentaquarks (cinco quarks),
• Y otras combinaciones más complejas que amplían nuestra comprensión del confinamiento cuántico.

En resumen, los hadrones son:

• Estructuras compuestas de quarks, mantenidas por la fuerza fuerte.
• Base de toda la materia estable del universo.
• Sistemas energéticos dinámicos, más que partículas rígidas.
• Ejemplo de cómo la energía se organiza en niveles de complejidad, dando lugar a propiedades emergentes como la masa, la estabilidad y las interacciones nucleares.

Partículas Compuestas (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Partículas Compuestas

Las partículas compuestas son entidades que no existen como una unidad indivisible, sino como sistemas estructurados donde varias partes más fundamentales se mantienen unidas por fuerzas internas. Su existencia representa el paso de lo simple a lo complejo dentro del mundo subatómico, donde la materia adquiere propiedades nuevas que no están presentes en sus componentes aislados.

En estas partículas, los elementos que las forman se comportan como un conjunto dinámico, no como piezas fijas. Están en un movimiento constante, intercambiando energía, y la estabilidad del todo surge de un equilibrio entre atracción y repulsión. Es una forma de orden dentro del caos cuántico.

Las partículas compuestas pueden entenderse como configuraciones estables de energía que alcanzan un punto de cohesión. La energía que las mantiene unidas es más que la suma de las fuerzas entre sus partes: es una especie de campo emergente que les da identidad. Por eso se dice que la materia, en su forma más profunda, es una manifestación de energía organizada.

También se puede decir que cada partícula compuesta posee una estructura interna de información, una “firma” que determina cómo interactúa con otras partículas, cómo se transforma o cómo puede desintegrarse. Esa información se expresa a través de sus estados cuánticos, que definen su comportamiento sin necesidad de que sea visible o tangible.

Otra característica importante es que las partículas compuestas no son entidades fijas: cambian de forma, se excitan, se desintegran y se recomponen. En cierto sentido, son procesos más que objetos. Lo que las define no es su materia contenida, sino el patrón de energía que mantienen durante un tiempo determinado.

Por eso, desde un punto de vista teórico más profundo, una partícula compuesta puede verse como una estructura de resonancia en el campo cuántico: una organización momentánea de energía, estable mientras sus condiciones se mantengan. 

Fotón Espejo (Mirror Photon) (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Fotón Espejo (Mirror Photon)

El fotón espejo es el bosón gauge asociado al grupo U(1)′ de la copia espejo del Modelo Estándar. Es análogo al fotón ordinario, pero pertenece a un sector oculto (hidden sector) que es simétrico al nuestro.

En notación estándar se denota:

$$\gamma' \quad \text{o bien} \quad A'_\mu$$

​

No debe confundirse con el fotón oscuro común: aunque están relacionados, no son necesariamente lo mismo.

Rol dentro de la materia espejo

La teoría de materia espejo propone un duplicado exacto del Modelo Estándar:

$$$$

SU(3)′×SU(2)′×U(1)′

Con:

• quarks espejo,
• leptones espejo,
• gluones espejo,
• neutrinos espejo,
• y el fotón espejo.

El fotón espejo es el portador de la fuerza electromagnética del sector espejo, no del nuestro.

Propiedades del Fotón Espejo:

Interacciones:

El fotón espejo no interactúa directamente con partículas del Modelo Estándar. Su carga eléctrica se aplica solo a:

• electrones espejo,
• protones espejo,
• partículas espejo en general.

Diferencia entre Fotón Espejo y Fotón Oscuro:

Son conceptos relacionados pero no equivalentes:

Importancia física y cosmológica:

El fotón espejo:

• permitiría que el sector espejo tenga electromagnetismo propio,
• permite formar átomos espejo,
• habilita química espejo,
• habilita materia oscura que se comporta como materia ordinaria pero está “oculta”;
• podría formar estrellas espejo, galaxias espejo, o halos oscuros con dinámica propia.

Es un pilar fundamental en el modelo de materia espejo como materia oscura auto-interactuante.

El fotón espejo es el portador de la fuerza electromagnética del sector espejo, una copia completa del Modelo Estándar. No interactúa directamente con la materia normal, excepto por una débil mezcla cinética. Es una partícula hipotética relevante en modelos de materia oscura con simetría espejo.

Katoptrón (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Katoptrón

Los katoptrons son partículas subatómicas hipotéticas propuestas en ciertos modelos más allá del Modelo Estándar. El término proviene del griego katoptron (κάτοπτρον), que significa "espejo", porque en estos modelos duplican a las partículas conocidas de la materia ordinaria con propiedades en cierto sentido “reflejadas”.

Los katoptrons fueron introducidos principalmente por el físico Nick E. Mavromatos y colaboradores dentro de un marco teórico que buscaba:

• una solución dinámica al problema de jerarquía;
• una alternativa a la supersimetría;
• la existencia de nuevos fermiones “pesados” que interactúan por una fuerza fuerte nueva (similar al technicolor);
• y una estructura espejo respecto de los fermiones del Modelo Estándar.

Resumen conceptual:

Los katoptrons son:

• Fermiones pesados,
• Espejo de los quarks y leptones ordinarios,
• Que pertenecen a una dinámica fuerte nueva (a veces llamada flavor dynamics),
• Y cuya condensación podría generar masa para el bosón de Higgs o reemplazarlo.

No forman parte del Modelo Estándar, sino de teorías más especulativas.

Relación con la materia espejo (Mirror Matter)

Los katoptrons NO son la misma cosa que la materia espejo estándar, pero sí están conceptualmente relacionados.

Materia espejo tradicional:

Es un duplicado completo del Modelo Estándar con:

• quarks espejo,
• leptones espejo,
• gluones espejo,
• fotones espejo,

bajo un grupo gauge duplicado SU(3)' × SU(2)' × U(1)', que está oculto al nuestro excepto por gravedad o pequeños acoplamientos cinéticos.

Katoptrons:

Son fermiones espejo, pero:

• pertenecen solo a ciertos duplicados parciales,
• NO duplican todas las interacciones gauge,
• y su propósito no es formar materia oscura, sino resolver problemas del Modelo Estándar como la masa del Higgs o el origen de la jerarquía.

Relación breve:

• Ambos conceptos usan simetrías espejo.
• Ambos duplican fermiones del Modelo Estándar.
• Pero no son equivalentes:
• la materia espejo es un sector completo escondido,
• los katoptrons son un sector fuerte nuevo vinculado a la masa electrodébil.

Propiedades de los katoptróns:

Diferencias entre Katoptrón y Materia Espejo:

Partícula de Holdom (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Partícula de Holdom

La "partícula de Holdom" se refiere —en la literatura teórica— a una partícula del sector oscuro que interactúa débilmente con el Modelo Estándar gracias al mecanismo introducido por Holdom (1986) llamado:

Mezcla cinética entre U(1)_Y y un U(1) oscuro

En esta construcción:

• Se postula una nueva fuerza U(1)’ en el sector oscuro.
• Esta fuerza tiene su propio bosón gauge —a menudo llamado fotón oscuro (A' o γ’).
• Debido a la mezcla cinética entre los campos, las partículas cargadas bajo U(1)’ adquieren un acoplamiento minúsculo con el electromagnetismo normal.

A cualquier partícula que solo está cargada bajo esta nueva interacción U(1)’ se le denomina en la literatura una:

“Holdom particle” o “carga oscura tipo-Holdom”

Es decir: una partícula oscura, no del Modelo Estándar, que interactúa con nosotros mediante un acoplamiento efectivo extremadamente pequeño inducido por la mezcla de Holdom.

Naturaleza de la partícula:

La partícula de Holdom puede ser en los modelos:

• un fermión oscuro (lo más común),
• un bosón oscuro (menos frecuente),
• o incluso un estado compuesto del sector oculto.

Dependiendo del modelo, esta partícula puede ser candidata a:

• materia oscura fría,
• materia oscura milicargada,
• materia oscura autorrepulsiva,
• o un estado estable del sector oculto.

Propiedades típicas de una Partícula de Holdom:

Importancia física:

Las partículas tipo Holdom son relevantes porque:

• permiten explicar materia oscura milicargada,
• aportan un mecanismo para interacciones ultradébiles,
• conectan un sector oculto con nosotros sin requerir nuevas partículas fuertemente acopladas,
• aparecen en teorías como:
• modelos de fotón oscuro,
• teorías de portales,
• supersimetría con sectores ocultos,
• materia oscura no térmica.