Respondo: ¿qué es el fotón?

1. El fotón es la partícula elemental bosónica que constituye la unidad indivisible (cuánto) de la energía de la radiación electromagnética: la luz visible, las ondas de radio, los rayos X, entre otras.
2. Es el portador o mediador del campo electromagnético, de modo que toda interacción electromagnética entre partículas cargadas se explica como intercambio de fotones.
3. Es neutro (no tiene carga eléctrica), no tiene masa en reposo y viaja siempre a la velocidad de la luz en el vacío, c \approx 3{,}0 \times 10^{8} \, \text{m/s}.
4. Su energía depende de la frecuencia de la radiación según la ley de Planck–Einstein: E = h \nu = \frac{hc}{\lambda}, donde h = 6{,}63 \times 10^{-34} \, \text{J} \cdot \text{s} es la constante de Planck, \nu la frecuencia y \lambda la longitud de onda.

Respondo: ¿qué son los quarks?

1. Los quarks son partículas elementales constituyentes de los nucleones (protones y neutrones), es decir, de la materia hadrónica ordinaria.
2. Poseen carga eléctrica fraccionaria; existen seis "sabores": arriba (u, +\tfrac{2}{3}e), abajo (d, -\tfrac{1}{3}e), encantado (c), extraño (s), fondo (b) y cima (t), con las mismas cargas en cada generación.
3. Están sometidos a la fuerza nuclear fuerte (fuerte), que los une mediante la emisión y absorción de gluones, y que se manifiesta en su confinamiento: nunca se han observado quarks libres.
4. El protón está formado por tres quarks: uud; el neutrón, por tres quarks: udd.

Respondo: ¿cuáles son las características de los gluones?

1. Son las partículas elementales bosónicas que actúan como mediadoras de la fuerza nuclear fuerte, es decir, del campo fuerte que mantiene unidos a los quarks dentro de los hadrones.
2. A diferencia del fotón, los gluones poseen carga de color (tres cargas de color y tres anticolores), de modo que los gluones también interactúan entre sí.
3. Al emitirse y absorberse, los gluones transfieren energía y momento entre los quarks, como en la fórmula de la interacción, cuya intensidad está dada por la constante de acoplamiento fuerte g_{s}.
4. Presentan confinamiento y asintotic freedom: se comportan como partículas libres a muy corta distancia (altas energías) y quedan atrapadas a distancia de hadrones (\sim 10^{-15} \, \text{m}).
5. Se conocen ocho gluones independientes (octeto de color), derivados de las combinaciones de color y anticolor.

Explico: ¿por qué cuando dos electrones se repelen están intercambiando un fotón?

1. En el modelo clásico, dos electrones (carga -e) se repelen por la ley de Coulomb, con fuerza F = k_e \frac{e^{2}}{r^{2}}.
2. En la electrodinámica cuántica (QED), la fuerza entre partículas cargadas se explica mediante el intercambio de bosones gauge; para la interacción electromagnética, ese bosón mediador es el fotón.
3. El electrón emite un fotón virtual, que es absorbido por el segundo electrón: este proceso altera su momento y dirige la interacción. Debido a que la carga de ambos es igual en signo, la reacción corresponde a una repulsión.
4. Los fotones intercambiados son virtuales (satisfacen aproximadamente p^{2} \neq 0 y solo existen durante un tiempo mínimo dado por la relación de incertidumbre de Heisenberg \Delta E \, \Delta t \gtrsim \hbar).
5. La QED reproduce con enorme precisión la ley de Coulomb como límite no relativista del intercambio de fotones.

Indico de manera hipotética cuándo estaban juntas las cuatro fuerzas de la naturaleza con la misma intensidad en la escala de Planck.

1. Las cuatro interacciones (fuerte, electromagnética, débil y gravitatoria) tienen constantes de acoplamiento distintas y varían con la energía: \alpha_{s} decrece con la energía, \alpha_{EM} crece y las débil y gravitatoria varían de forma diferente.
2. Para que estuvieran unificadas con la misma intensidad, la energía del proceso debía ser del orden de la energía de Planck: E_{P} = \sqrt{\frac{\hbar c^{5}}{G}} \approx 1{,}22 \times 10^{19} \, \text{GeV} \approx 1{,}96 \times 10^{9} \, \text{J}, equivalente a una temperatura de T_{P} \approx 1{,}42 \times 10^{32} \, \text{K}.
3. Esa energía corresponde a una longitud de Planck l_{P} = \sqrt{\hbar G/c^{3}} \approx 1{,}6 \times 10^{-35} \, \text{m}, es decir, un tiempo de Planck de t_{P} \approx 5{,}4 \times 10^{-44} \, \text{s}.
4. Hipoéticamente, esa condición se alcanzó alrededor de 10^{-43} \, \text{s} después del Big Bang, en el llamado tiempo de Planck. Solo a partir de t \approx 10^{-36} \, \text{s} (unificación electrodébil) la gravedad se separó; a t \approx 10^{-12} \, \text{s}, la fuerza débil se separó de la electromagnética.