Vamos a empezar por la primera parte de la pregunta, ¿qué partículas tienen carga eléctrica? Entre las constituyentes fundamentales de la materia tienen carga todas las partículas excepto los neutrinos. Si tomamos como unidad la carga del electrón, que es lo que hacemos en física, vemos que los electrones y sus compañeros pesados el muon y el tau- tienen carga -1. Mientras que las correspondientes partículas de antimateria, como los positrones -las antipartículas de los electrones- tienen carga +1. Los quarks que forman los protones y los neutrones, así como las otras familias de quarks más pesados, tienen cargas fraccionarias, +2/3 y -1/3.
Lo que te he explicado hasta ahora es sobre las partículas que constituyen la materia. Pero también existen las que llamamos partículas mediadoras. Estas son las encargadas de transmitir las fuerzas e interacciones fundamentales de la naturaleza a las partículas que forman la materia. Si nos centramos en las partículas mediadoras, solo tienen carga eléctrica +1 y -1 los bosones W+ y W-, que son las mensajeras de la interacción débil, responsable de algunas desintegraciones nucleares. El resto de las partículas mediadoras de las interacciones fundamentales, que son los fotones, los gluones, y los bosones Z, así como el bosón de Higgs, son partículas neutras. No tienen carga.
Como sabrás, llamamos partículas fundamentales a las entidades más pequeñas que conocemos. Son aquellas que, por lo que sabemos, no tienen estructura interna. Pero también existen partículas compuestas, las que – como el protón o el neutrón- están formadas por la unión de varias partículas fundamentales. Respecto a la carga eléctrica de estas partículas compuestas, tendrán o no dependiendo de las cargas de sus componentes. Por ejemplo, el protón, como está formado por dos quarks, uno con carga +2/3 y otro con carga -1/3, la suma total nos da +1. Mientras que el neutrón, como está formado por un quark de carga +2/3 y dos de carga -1/3, cuando las sumamos nos resulta que no tiene carga eléctrica. De la misma forma, los átomos que están formados por la misma cantidad de protones con carga +1 y electrones con carga -1 son neutros porque se compensan las cargas.
Lo que nos indican las cargas eléctricas de las partículas es cómo se produce su interacción con el campo electromagnético. Si una partícula tiene carga eléctrica, es sensible a esta interacción, lo que le permite sentir atracción o repulsión hacia otra partícula cargada. Las partículas con la carga de igual signo se repelen y las que tienen signo contrario se atraen. Si una partícula no tiene carga eléctrica, como el neutrino o el fotón, es completamente invisible a esta fuerza.
Ahora vamos con la segunda parte de la pregunta que es un poco más compleja. A nivel fundamental, la física explica que la existencia de la carga eléctrica no es un accidente, sino que es el resultado de una ley de simetría que gobierna el universo. Esta conexión se explica mediante el teorema de Noether, enunciado por la física alemana Emmy Noether, que establece que cada simetría de la naturaleza da lugar a una ley de conservación. Y esta simetría concreta obliga a las partículas a desarrollar una propiedad, que es la carga eléctrica, que, además, debe conservarse de forma que la carga total del universo no puede cambiar.
Pero este mecanismo abre un enigma para las físicas y físicos al que todavía no podemos responder, y es por qué el universo eligió obedecer esta simetría en su origen y por qué la carga tiene el valor que medimos hoy. Una de las principales incógnitas es por qué todas las partículas libres tienen cargas que son múltiplos exactos de la del electrón. Antes te he comentado que los quarks tienen cargas fraccionarias (2/3 y 1/3). Pero los quarks nunca están libres, están confinados en el interior de protones o neutrones y siempre se combinan de forma que la partícula resultante tiene una carga entera, como 0, +1 o -1.
Aunque la ciencia sí que explica cómo se conserva la carga eléctrica a partir de las simetrías del universo, el motivo por el cual las partículas presentan los valores de carga que observamos sigue siendo uno de los grandes interrogantes de la física. Las teorías de gran unificación plantean que, en los primeros instantes del universo, tres de las cuatro fuerzas fundamentales —la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil— eran una sola. Algunos de estos modelos permiten explicar la cuantización de la carga eléctrica al integrar la simetría asociada a ella en una estructura de simetría más amplia. Sin embargo, estas teorías todavía no han sido confirmadas experimentalmente.
Mariam Tórtola Baixauli es Profesora Titular en el Departamento de Física Teórica de la Universitat de València y del Instituto de Física Corpuscular (IFIC).
Coordinación y redacción: Victoria Toro.
— Pregunta enviada por Frank Tijerino.
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