El universo es un lugar grande, pero está formado por pequeñas piezas. O tabla periodica incluye elementos como oxígeno, carbón y otros bloques de construcción que constituyen estrellas, gatos o tazas de café. Pero desde principios del siglo XX, los científicos han estado pensando y encontrando partículas fundamentales cada vez más pequeñas, aquellas más pequeñas que átomos que llenan el universo. Entonces, ¿cuál de estas partículas fundamentales es la más pequeña? Y a la inversa, ¿cuál es el más grande?
Don Lincoln, un científico senior del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi (Fermilab) cerca de Chicago, es uno de los científicos que intenta responder esa pregunta. En Fermilab, los científicos usan un acelerador de partículas para aplastar partículas individuales y buscar escombros, o posibles nuevas partículas fundamentales, que salen. Lincoln dijo que hay dos formas de medir el tamaño de las partículas: investigando su masa y midiendo su tamaño físico, como calcular el diámetro de una bola.
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En términos de masa, estas preguntas son relativamente sencillas de responder. La partícula de masa más pequeña distinta de cero que conocemos es la neutrino, Dijo Lincoln. Sin embargo, señaló que no tenemos una medida exacta de la masa de un neutrino porque los instrumentos utilizados para calcular la masa de las partículas fundamentales no son lo suficientemente sensibles.
«Un neutrino es una partícula, una especie de fantasma del mundo subatómico», dijo Lincoln. Los neutrinos interactúan muy débilmente con la materia y son la segunda partícula más abundante después de los fotones (que se comportan más como ondas que como partículas reales). De hecho, hay billones de neutrinos que pasan junto a ti en este momento. Los neutrinos pesan casi nada y viajan cerca de la velocidad de la luz.
Un núcleo atómico está formado por neutrones, protones y electrones. Los protones y neutrones tienen aproximadamente una décima parte del tamaño del núcleo en su conjunto, dijo Lincoln. Un electrón tiene una masa cercana a cero, pero en realidad pesa 500.000 veces más que un neutrino (de nuevo, imposible de medir con precisión en este punto).
Los físicos usan electronvoltios (eV) para medir la masa de partículas subatómicas, dijo Lincoln. Técnicamente, la unidad es eV / c ^ 2, donde c es la velocidad de la luz. Un electronvoltio equivale aproximadamente a 1.6×10 ^ -19 julios. Para simplificar las cosas, los físicos usan un conjunto de unidades donde la velocidad de la luz es 1. Para calcular la masa de una partícula subatómica, entonces usarías Albert Einstein famosa ecuación E = mc ^ 2 para obtener la masa (m) en kilogramos.
Un electrón pesa 511.000 electronvoltios, lo que equivale a 9,11 x 10 ^ -31 kilogramos, según Lincoln. A modo de comparación, un protón típico en el núcleo de un átomo típico pesa 938 millones de electronvoltios, o 1,67 × 10 ^ -27 kg, dijo.
Por otro lado, la partícula fundamental más grande (en términos de masa) que conocemos es una partícula llamada quark top, que mide la asombrosa cantidad de 172.5 mil millones de electronvoltios, según Lincoln. Los quarks son otra partícula fundamental que, hasta donde sabemos, no se puede descomponer en más partes. Los científicos han descubierto seis tipos de quarks: arriba, abajo, raro, encantador, inferior y superior. Los quarks up y down constituyen protones y neutrones y pesan 3 millones y 5 millones de electronvoltios, respectivamente. En comparación, el quark top pesa 57.500 veces más que el quark top.
La cuestión del tamaño físico es más difícil de responder. Conocemos el tamaño físico de algunas partículas, pero no las más pequeñas. Algunas partículas «diminutas» de las que la gente oye hablar en la vida diaria, como las partículas de virus, son en realidad bastante grandes.
Lincoln ofreció este sentido de escala: una partícula de virus típica tiene aproximadamente 250 a 400 nanómetros de largo (un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro, o 10 ^ -9 m), y el núcleo atómico típico es de aproximadamente 10 ^ -14 m (0.0000000000001 metro). Esto significa que un núcleo atómico es tan pequeño para un virus como un virus para nosotros.
Actualmente, el tamaño físico más pequeño que los científicos pueden medir con un acelerador de partículas es 2.000 veces más pequeño que un protón, o 5 x 10 ^ -20 m. Hasta ahora, los científicos han podido determinar que los quarks son más pequeños que eso, pero no por cuánto.
Publicado originalmente en Live Science.
