Modelo estándar de la física de partículas

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El Modelo Estándar de partículas elementales, con los bosones de gauge en la columna derecha.

El modelo estándar de la física de partículas es una teoría relativista de campos cuánticos desarrollada entre 1970 y 1973 [cita requerida] basada en las ideas de la unificación y simetrías[1] que describe la estructura fundamental de la materia y el vacío considerando las partículas elementales como entes irreducibles cuya cinemática está regida por las cuatro interacciones fundamentales conocidas. La palabra "modelo" en el nombre viene del período de los 70 cuando no había suficiente evidencia experimental que confirmara el modelo[1] . Hasta la fecha, casi todas[¿cuál?] las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el modelo estándar están de acuerdo con sus predicciones. Sin embargo, el modelo estándar no alcanza a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales debido a varias cuestiones sin resolver.

Introducción[editar]

A principios del siglo XXI, el problema de reducir las leyes que gobiernan el comportamiento y la interacción de todas las interacciones fundamentales de la materia seguía siendo un problema no resuelto. El trabajo teórico durante el siglo XX, llevó a una teoría que reducía a un esquema común el electromagnetismo y la fuerza débil, y se poseía un modelo adecuado de la fuerza fuerte. Sin embargo, a pesar de diversas propuestas prometedoras existían tres teorías diferentes para explicar las diferentes interacciones fundamentes, a saber:

  • Teoría electrodébil
    La teoría o modelo electrodébil unifica la interacción electromagnética con la materia, la electrodinámica cuántica, con la fuerza nuclear débil, las cuales fueron formuladas en principio de forma independiente.
    La electrodinámica cuántica se origina en 1927 en un apéndice de un artículo de Born, Heisenberg y Jordan sobre mecánica matricial en la que este último quantiza el campo electromagnético libre. Fue subsiguientemente desarrollado por Dirac, Jordan, Pauli, Heisenberg y otros y culminó antes de 1950 en un trabajo de Tomonaga, Schwinger, Feynman y Dyson. El cálculo del desplazamiento Lamb y el valor exacto de la razón giromagnética del electrón son las predicciones destacables de la electrodinámica cuántica. La teoría de la fuerza nuclear débil empezó en 1932 con la teoría de Fermi para la desintegración beta. Las mejoras de la teoría para los nucleones fueron hechas en la teoría V-A que tiene en cuenta la violación de paridad. Sin embargo los cálculos teóricos de electrodinámica cuántica para el modelo de Fermi conducían a infinitos.
    El problema se superó entre 1961 y 1968 por Glashow, Weinberg, Salam y otros unificando las teorías electromagnéticas y nuclear débil.
  • Cromodinámica cuántica
    La fuerza nucler fuerte queda explicada como interacciones fuertes entre quarks en la cromodinámica cuántica, formulada por Fritzsch, Gell-Man, Leutwyler, y luego por t'Hooft y otros. Ésta teoría supone tres "cargas fuertes" como fuente de la fuerzas.
  • Teoría general de la relatividad
    Desarrollada originalmente por Einstein, es la culminación de la mecánica clásica quedando enmarcado en una misma teoría la gravitación y la mecánica.

Frente a este panorama, el Modelo Estándar agrupa, pero no unifica, las dos primeras teorías –el modelo electrodébil y la cromodinámica cuántica– lo que proporciona una teoría internamente consistente que describe las interacciones entre todas las partículas observadas experimentalmente.

Precedentes[editar]

Como antecedentes del modelo estándar se pueden citar a la teoría de campos y la teoría atómica.

La teoría atómica supone que la materia está constituida por entes indivisibles. Los descubrimientos de J. J. Thomson sobre el electrón y de E. Rutherford sobre el núcleo atómico dieron un mejor entendimiento de la estructura interna del átomo dando lugar a la física electrónica y la física nuclear respectivamente.

Teoría de campos[editar]

La primera, iniciada por M. Faraday [cita requerida], es la mejor explicación a la acción a distancia. En un entendimiento clásico de la naturaleza hay tres fenómenos que presentan una acción a distancia: electricidad, magnetismo y gravedad. Las primeras dos se consideraron fuerzas independientes hasta que H. C. Ørsted descubrió que la corriente eléctrica y el magnetismo estaban relacionados [cita requerida]. J. C. Maxwell describe matemáticamente la relación mutua entre los campos eléctricos y magnéticos dando un marco teórico completo para la teoría electromagnética. Finalmente A. Einstein unificó ambos campos motivado por la aparente asimetría al aplicar las ecuaciones de Maxwell a cuerpos en movimiento [2] . Un esfuerzo posterior lo llevó a generalizar esta teoría para cuerpos acelerados y el campo gravitatorio en la teoría general de la Relatividad.

En la teoría clásica de campos se modela la acción a distancia entre cuerpos puntuales mediante un campo continuo que toma, transporta y cede energía de y a los cuerpos. Actualmente en física de partículas, la dinámica de la materia y de la energía en la naturaleza se entiende mejor en términos de cinemática e interacciones de partículas fundamentales [cita requerida]. Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el modelo estándar. El modelo estándar describe cada tipo de partícula en términos de un campo matemático[Aclaración requerida]. Sin embargo este marco no hace una distinción esencial entre campo y partícula: ambos pueden ser descritos por una función continua en el espacio o bien como partículas puntuales[cita requerida]. Ninguno de los anteriores ofrece una explicación satisfactoria[3] . Para una descripción técnica de los campos y de sus interacciones, ver la Teoría cuántica de campos.

Simetría de la función de onda Estadística Cuánto del campo Tipo de campo Spin Ejemplos Interpretación
Bose-Einstein Bosón Bosónico Entero Campo escalar, campo "gauge" Las partículas del campo pueden compartir el mismo estado de energía y formar un condensados. En mismo volumen pueden existir arbitrariamente muchos bosones. Dota a la materia de su masa.
Fermi-Dirac Fermión Fermiónico Semientero Campo espinoral: Fermión de Dirac, fermión de Majorana, fermión de Weyl En un mismo volumen pueden existir una limitada cantidad de partículas del campo, obedeciendo al principio de exclusión de Pauli. Dota a la materia de volumen e impenetrabilidad.

Física electrónica[editar]

La teoría cuántica del electrón ideada Paul Dirac describe al electrón a velocidades relativistas. De ésta se desprende la idea del spin en forma natural como parte de la solución a la formulación relativista de ecuación de Schrödinger [1]. Este esfuerzo excedió las expectativas, no sólo explicando el espectro de ciertos átomos[¿cuál?] sino la predicción luego confirmada[¿cuándo?] de electrones con carga positiva: los positrones. Sin embargo éstas ecuaciones describen al electrón como un único electrón o un gas ideal de electrones, y también que el campo eléctrico del electrón es despreciable con respecto al que está inmerso[cita requerida]. La investigación teórica sobre la interacción del electrón con el campo electromagnético y entre electrones da lugar a la electrodinámica cuántica. Esta última se la considera sumamente exitosa por el grado de precisión de sus predicciones[cita requerida].

Los métodos y conceptos utilizados en la electrodinámica cuántica dieron lugar a la teoría cuántica de campos y sentó las bases sobre la que se apoya el modelo estándar[cita requerida].

Aspectos clave[editar]

Simetrías[editar]

Las simetrías son invarianzas ante transformaciones. El teorema de Noether establece una correspondencia entre una simetría y una ley de conservación, es decir establece una razón fundamental por la cual se observa la conservación de ciertas magnitudes.

Transformación espacio-temporal Magnitud conservada
Traslación espacial Momento lineal
Rotación Momento angular
Traslación temporal Energía

Simetrías Discretas[editar]

Wolfgang Pauli y Julian Schwinger independientemente, demostraron que la invariancia bajo las transformaciones de Lorentz, implica una invariancia CPT[4] .

Simetría P[editar]

Simetría C[editar]

Simetría T[editar]

Teorema CPT[editar]

Simetrías Internas[editar]

Las simetrías internas tienen un rol importante en el modelo estándar ya que ellas se desprende la conservación de carga y define inequívocamente la interacción entre partículas[5] .

Simetrías
Tipo Consecuencias[6]
Global y exacta Conservación de carga
Global y espontáneamente rota Campos escalares sin masa
Local y exacta Interacciones. Bosones mediadores sin masa.
Local y espontáneamente rota Interacciones. Bosones mediadores masivos.

La intensidad de la interacción queda determinada por el acoplamiento del fermión al campo gauge. Éste acoplamiento coincide con la carga eléctrica en la electrodinámica cuántica y por extensión se las cargas de los fermiones cargados. Debido al teorema de Noether a la simetría introducida le corresponde una conservación de carga. La ecuación de Yang-Mills generaliza la electrodinámica cuántica introduciendo nuevas simetrías gauge. Estas simetrías introducen un nuevo bosón, que media la fuerza correspondiente[Aclaración requerida].

Transformación gauge Conservación Interacción Bosón
U(1) Carga eléctrica Electromagnética Fotón
SUL(2)×UY(1) Hipercarga débil e Isospín débil [cita requerida] Electrodébil W1,W2,W3,B
SU(3) Carga de color Nuclear fuerte Gluón

Ruptura espontánea de simetría[editar]

Si bien el modelo es perfectamente simétrico, la evidencia experimental demuestra que no es así. Principalmente porque la inclusión de masa en el modelo rompe estas simetrías. Esto se contradice con la evidencia empírica que demuestran que las partículas son masivas. Esto puso en evidencia una ruptura espontánea de simetría para el modelo electrodébil.

Organización del modelo[editar]

Para facilitar la descripción, los términos del lagrangiano del modelo estándar se pueden agrupar como se indica en la tabla[7] :

Bosones Fermiones
Sector Gauge Sector Higgs Sector Leptón Sector Quark
Cinemática de los fermiones
Términos de masa Acoplamiento Yukawa con el bosón de Higgs
Sector electrodébil Interacción electrodébil
Cromodinámica cuántica Campo gluón Interacción fuerte
Sector Higgs

El modelo estándar incluye tres campos bosónicos B, W y G correspondientes a las simetrías U(1), SU(2) y SU(3) respectivamente. Adicionalmente un bosón añadido para preservar la simetría en el sector electrodébil[cita requerida][Aclaración requerida]. Luego de la ruptura espontánea de simetría electrodébil los bosones B y W se mezclan resultando en el campo electromagnético y el bosón neutro de la interacción nuclear débil .

Los fermiones en el modelo estándar se dividen en leptones y quarks de acuerdo con su acoplamiento al campo color. Sin embargo no existe razón fundamental para que ésto sea así y se han [¿quién?]formulado extensiones al modelo para afrontar esta particularidad. Los leptones son , y y los quarks son , , y . El neutrino dextrógiro no ha sido observado y puede ser por dos razones: o bien el neutrino dextrógiro es muy masivo [cita requerida] o bien el neutrino es un fermión de Majorana y consecuentemente el antineutrino dextrógiro observado es idéntico al neutrino dextrógiro[Aclaración requerida][cita requerida]. Los fermiones reales resultan de la composición de la componente levógira y la dextrógira. Bajo la interacción electrodébil forman dobletes levógiros (subíndice L) o singletes dextrógiros (subíndice R)[Aclaración requerida]. Implícitamente cada fermión tiene un componente por generación[Aclaración requerida]. Los fermiones de Dirac están compuestos por un fermión levógiro y otro dextrógiro.

Partículas de materia[editar]

 Representación artística de un átomo de Helio
Representación artística de un átomo de Helio 4 según el modelo estándar, se muestra de color rojo las interacciones electromagnéticas y de color naranja las Fuertes.

Los fermiones cumplen el rol de partículas de materia ya que, debido a su estadística, no pueden existir dos de éstas partículas en el mismo estado cuántico por lo cual necesariamente forman estructuras, como un átomo, una molécula o una estructura cristalina. El prototipo de los fermiones es el electrón, cuya descripción cuántica y relativista está dada por la ecuación de Dirac. Sin embargo la violación de las simetría C y P de la desintegración beta pone en duda que el neutrino responda a esta ecuación. Weyl y Ettore Majorana propusieron sendas ecuaciones para describir al neutrino.

Fermiones de Dirac[editar]

Se denomina así a la partícula regida por la ecuación de Dirac. Si bien esta ecuación fue primeramente postulada por P. M. Dirac para describir al electrón a velocidades relativistas, es generalizable a otros fermiones como protones y neutrones y por supuesto quarks.

Aunque la ecuación resulta en resultados consistentes con los experimentos, la solución admite infinitos niveles de energía negativos que no son observados: ningún electrón decae infinitamente. La interpretación a esta aparente contradicción es admitir la existencia de electrones cargados positivamente. Hipótesis luego verificada experimentalmente por C. D. Anderson. La violación de la simetría-C de la interacción nuclear débil requirió modificar la ecuación de dirac para ajustarla a los resultados experimentales.

Fermión de Majorana[editar]

Ettore Majorana propuso [¿cuándo?] una modificación a la ecuación de Dirac para incluir explícitamente la antipartícula y forzar una asimetría[cita requerida]. De ésta manera un fermión de Majorana es su propia antipartícula[Aclaración requerida]. La hipótesis del neutrino como fermión de majorana se confirmaría si se observaran desintegraciones dobles beta sin neutrinos.

Organización de los fermiones elementales[editar]

Los fermiones elementales se los puede dividir en dos grandes categorías de acuerdo a cómo interaccionan entre sí: leptones y quarks. A diferencia de los primeros los últimos no se observan en forma aisladas sino que interaccionan fuertemente quedando confinados en hadrones: mesones, bariones y los hipotéticos tetraquarks, pentaquarks y moléculas hadrónicas[8] [9] . Las partículas de ambas categorías interaccionan según el modelo electrodébil.

Los seis leptones y seis quarks se los puede agrupar en, hasta el momento, tres generaciones o familias de dos partículas cada una. Cada generación difiere solamente en la masa, el resto de las propiedades, cargas, son idénticas entre generaciones, aunque las investigaciones sobre el momento anómalo del muón podrían refutar esto[10] . Hay que notar que esta división no es explicada por el modelo estándar como tampoco si es coincidencia que existan la misma cantidad de generaciones tanto para quarks como para leptones[11] .

Partículas de materia fundamentales del Modelo Estándar
Leptones Quarks
Familias Nombre Símbolo Nombre Símbolo
1a electrón up u
neutrino electrónico down d
2a muon charm c
neutrino muónico strange s
3a tau top t
neutrino tauónico bottom b

Lista de fermiones del Modelo Estándar[editar]

Esta tabla se basa en parte de datos tomados por el Grupo de Datos de Partículas (Quarks).

Fermiones zurdos en el Modelo Estándar
Familia 1
Fermión
(levógiro)
Símbolo Carga
eléctrica
Isospin
débil
Hipercarga Carga de
Color
 [12]
Masa [13]
Electrón 511 keV/C²
Positrón 511 keV/C²
Neutrino electrónico < 2 eV/C²
Up quark ~ 3 MeV/C² [14]
Up antiquark ~ 3 MeV/C² [14]
Down quark ~ 6 MeV/C² [14]
Down antiquark ~ 6 MeV/C² [14]
 
Familia 2
Fermión
(levógiro)
Símbolo Carga
eléctrica
Isospin
débil
Hipercarga Carga de
Color
 [12]
Masa [13]
Muon 106 MeV/C²
Antimuón 106 MeV/C²
Neutrino muónico < 2 eV/C²
Quark Charm ~ 1.3 GeV/C²
Antiquark Charm ~ 1.3 GeV/C²
Quark Strange ~ 100 MeV/C²
Antiquark Strange ~ 100 MeV/C²
 
Familia 3
Fermión
(levógiro)
Símbolo Carga
eléctrica
Isospin
débil
Hipercarga Carga de
Color
 [12]
Masa [13]
tau 1.78 GeV/C²
Anti-tau 1.78 GeV/C²
Neutrino tauónico < 2 eV/C²
Top quark 171 GeV/C²
Top antiquark 171 GeV/C²
Bottom quark ~ 4.2 GeV/C²
Bottom antiquark ~ 4.2 GeV/C²

Las cargas de las partículas elementales surgen como consecuencia necesaria de imponer simetrías "internas" o de "gauge" [Aclaración requerida].

Estas cargas las hacen susceptibles a las fuerzas fundamentales [cita requerida] según lo descrito en la sección siguiente.

  • Los quarks vienen en tres "colores"[15] (llamadas por conveniencia roja, verde o azul), que son usadas para describir como interactúan con el campo gluón.
  • Los quarks tipo up (up, top o charm) tienen asignadas una carga eléctrica de +2/3, y los tipo down (down, strange y bottom) tienen asignadas una carga eléctrica de -1/3, permitiendo a ambos tipos participar en interacciones electromagnéticas. Debido al confinamiento de quarks estas medidas son siempre indirectas, salvo la del quark top[16] .
  • Los leptones no evidencian ninguna interacción fuerte, por lo que no tienen asignada ninguna carga de color.
  • Los leptones cargados (el electrón, el muon, y el leptón tau) por razones históricas llevan una carga eléctrica de -1, permitiéndoles participar en interacciones electromagnéticas.
  • Los leptones neutros (los neutrinos) no llevan ninguna carga eléctrica, evitándose que participen en interacciones electromagnéticas.
  • Los quarks y los leptones levógiros llevan varias cargas de sabor, incluyendo el isospin débil, permitiendo a todas ellas interaccionar recíprocamente vía la interacción nuclear débil.

Modelo estándar de leptones[editar]

Un primer modelo de leptones fue propuesto por Steven Weinberg en 1967[17] basado en la simetría gauge SU(2)×U(1) y trabajos previos de Glashow, Salam y Ward y el mecanismo Brout-Englert-Higgs[18] . Si bien el modelo incluye solamente al electrón y al neutrino electrónico, el principio de la universalidad leptónica establece que todos los leptones se acoplan de igual manera a los bosones vectoriales[19] y permite aplicar el modelo de Weinberg igualmente a los muones y tauones.

El modelo introduce las masas de los leptones mediante la interacción de un campo escalar. Para esto divide a cada uno de los leptones en sus dos partes quirales[18] (dextrógira y levógira) resultando en dos fermiones de Weyl levógiros : un doblete y un singlete [20] . Cada componente del doblete se lo identifica con un leptón cargado y su correspondiente neutrino electrónico. El singlete es un leptón cargado dextrógiro.

El modelo estándar de leptones se lo puede resumir en la siguiente manera.

Transformación de Paridad
Leptones levógiros Leptones dextrógiros
Conjugación de carga Materia
Antimateria


Interacciones[editar]

Los leptones interaccionan emitiendo y absorbiendo bosones W, Z y fotones[cita requerida]. La emisión o absorción de un bosón W implica un cambio de isospin débil y carga del leptón. Los bosones Z responsables de la dispersión elástica de neutrinos y la única interacción que tienen los neutrinos con la materia.

Los leptones cargados, naturalamente, interactúan electromagnéticamente, independientemente de su quiralidad.

Generación de masa[editar]

Los leptones cargados adquieren su masa observada luego de la ruptura espontánea de la simetría electrodébil interactuando con el bosón de Higgs. Los leptones neutros -neutrinos- permanecen sin masa[18] . Esto no se condice con los resultados experimentales, por lo que el mecanismo por el cual los neutrinos adquieren masa escapa al modelo estándar. En primer lugar la no observación de neutrinos dextrógiros implica que no pueden adquirir masa de Dirac. La carga eléctrica nula de los neutrinos no excluye que adquieran masa de Majorana, aunque esto violaría la conservación del número leptónico[cita requerida].

Oscilación de neutrinos[editar]

La masa no nula de los neutrinos implica una oscilación entre los diferentes tipos de neutrinos

A su vez, esta oscilación permite el decaimiento de leptones cargados de una familia a otra emitiendo un fotón, por ejemplo

Sin embargo la probabilidad de este proceso es despreciable[cita requerida].

Modelo estándar de Quarks[editar]

El modelo de quarks originalmente tenía tres quarks, up down y strange[cita requerida]. Cada uno portador de los números cuánticos isospin arriba, isospin abajo y extrañeza. El mecanismo Glashow-Iliopolous-Maiani predijo un cuarto quark (charm o encanto)[21] . El mecanismo Cabbibo-Kobayashi-Maskawa predice una tercer generación de quarks, top y bottom (truth y beauty)[cita requerida].

Mecanismo Glashow-Iliopolous-Maiani[editar]

Mecanismo Cabibbo-Kobayashi-Maskawa[editar]

Quark Top[editar]

El cuark cima tiene cierta relevancia en el modelo estándar ya que su corta vida media no le permite hadronizar y su masa puede determinarse con mayor precisión que la de los otros cuarks[cita requerida].

Campos de norma o "gauge"[editar]

Las fuerzas en la física son la forma en que las partículas interactúan recíprocamente y se influyen mutuamente. A nivel macroscópico, por ejemplo, la fuerza de Lorentz permite que las partículas cargadas eléctricamente interactúen con campo electromagnético. Otro ejemplo, por medio de ellos, y la fuerza de la gravitación permite que dos partículas con masa se atraigan una a otra de acuerdo con la Teoría de gravitación de Newton. El modelo estándar explica la primera de estas fuerzas como el resultado del intercambio de otras partículas por parte de las partículas de materia, conocidas como partículas mediadoras de la fuerza. Cuando se intercambia una partícula mediadora de la fuerza, a nivel macroscópico el efecto es equivalente a una fuerza que influencia a las dos, y se dice que la partícula ha mediado (es decir, ha sido el agente de) esa fuerza. Se cree [¿quién?] que las partículas mediadoras de fuerza son la razón por la que existen las fuerzas y las interacciones entre las partículas observadas en el laboratorio y en el universo.

Las partículas mediadoras de fuerza descritas por el modelo estándar también tienen spin (al igual que las partículas de materia), pero en su caso, el valor del spin es necesariamente[22] entero, particularmente unitario, significando que todas las partículas mediadoras de fuerza son bosones [Aclaración requerida]. Consecuentemente, no siguen el principio de exclusión de Pauli. Los diversos tipos de partículas mediadoras de fuerza son descritas a continuación.

  • Los bosones de gauge W+, W, y Z0 median las interacciones nucleares débiles entre las partículas de diversos sabores (todos los quarks y leptones). Son masivos[¿Por qué?], con el Z0 más masivo que el [¿cuántos?]. Las interacciones débiles que implican al actúan exclusivamente en partículas zurdas y no sobre las antipartículas zurdas[¿Por qué?]. Además, el lleva una carga eléctrica de +1 y -1 y participa en las interacciones electromagnéticas. El bosón eléctricamente neutro Z0 interactúa con ambas partículas y antipartículas zurdas[cita requerida]. Estos tres bosones gauge junto con los fotones se agrupan juntos y medían colectivamente las interacciones electrodébiles[¿Por qué?].
  • Los ocho gluones [¿cuál?] median las interacciones nucleares fuertes entre las partículas cargadas con color (los quarks) [¿Por qué?]. Los gluones no tienen masa. La multiplicidad de los gluones se etiqueta por las combinaciones del color y de una carga de anticolor (es decir, Rojo-anti-Verde) [¿Por qué?]. Como el gluon tiene una carga efectiva de color, pueden interactuar entre sí mismos. Los gluones y sus interacciones se describen mediante la teoría de la cromodinámica cuántica.
Transformación gauge Carga Conservada Bosón elemental Interacción Teoría
SU(2)L×U(1)Y U(1)EM Hipercarga débil

Carga eléctrica

W1,W2,W3,B Fotón Electrodébil Electromagnética Electrodinámica cuántica
SU(2)L Isospin débil

W+,W-,Z0 Nuclear débil Teoría electrodébil
SU(3) Carga de color Gluón Nuclear fuerte Cromodinámica cuántica

Sector Electrodébil[editar]

El modelo estándar de las interacciones electrodébiles está basado en el grupo gauge SU(2)×U(1), con cuatro bosones gauge para SU(2) y B para U(1), y las correspondientes constantes de acoplamiento g y g'. Los fermiones levógiros de la generación iésima son dobletes. Los fermiones dextrógiros son singletes en SU(2). El modelo mínimo contiene tres generaciones o familias[23] . La interacción débil se acopla a la quiralidad del fermión de la forma más asimétrica posible: se acopla a fermiones levógiros pero no a los dextrógiros[24] . De esta manera la interacción electrodébil se acopla solamente a los fermiones levógiros, cargados o no. Esto supone una violación a la simetría P por lo que se hace necesaria la violación de otra simetría, en este caso la conjugación de carga, para que la simetría se restaure[Aclaración requerida].

El lagrangiano del fermión en la interacción electrodébil queda definido luego de la ruptura espontánea de simetría como[23] :

Donde cada uno de los términos representan:

  1. El campo fermiónico acoplado al campo de Higgs mediante un acoplamiento de Yukawa.
  2. La interacción de los dobletes levógiros ó con los bosones cargados . Esto implica que en la interacción débil los fermiones participan en los pares dados. Por ejemplo electrón-neutrino o quark up - quark down.
  3. La interacción electromagnética entre el fotón y el fermión. La constante de acoplamiento de esta interacción está dada por la carga elemental definida según
  4. La interacción del fermión con el bosón neutro

donde es el ángulo de mezcla electrodébil.

La interacción electrodébil entre quarks se las puede resumir de la siguiente manera:

Emisión/Absorción de bosones W Creación/Aniquilación de quarks

Decaimiento beta:

Emisión/absorción de bosones W Creación/aniquilación de leptones

En todos los casos la carga se conserva en ambos lados de la interacción, como así el número leptónico, es decir, la diferencia entre leptones y antileptones. Además la interacción sucede siempre entre fermiones de la misma generación.

Por ejemplo el decaimiento mu:

Generación de masa[editar]

Mecanismo de Higgs[editar]

La partícula de Higgs es una partícula elemental (con masa) predicha en el modelo estándar. Tiene spin S=0, por lo que es un bosón.

El bosón de Higgs desempeña un papel único en el modelo estándar, y un papel dominante en explicar los orígenes de la masa de los bosones W y Z, los leptones cargados, los quarks y su propia masa [cita requerida]. Las masas de las partículas elementales, y las diferencias entre el electromagnetismo (causada por el fotón) y la fuerza débil (causada por los bosones W y Z), son críticas en muchos aspectos de la estructura de la materia microscópica (y por lo tanto macroscópica).

Hasta el año 2012, ningún experimento había detectado directamente la existencia del bosón de Higgs, aunque había una cierta evidencia indirecta de él. Todas las esperanzas estaban puestas en las investigaciones realizadas mediante el colisionador de hadrones del CERN. Este centro hizo el histórico anuncio del hallazgo de una partícula compatible con las propiedades del bosón de Higgs el 4 de julio de 2012, confirmado por los experimentos ATLAS y CMS. Pero aún falta ver si ésta nueva partícula cumple las características predichas del bosón de Higgs dadas por el modelo estándar.

Pruebas y predicciones[editar]

El Modelo Estándar predecía la existencia de los bosones W y Z, el gluón. Sus propiedades predichas fueron experimentalmente confirmadas con buena precisión[¿cuántos?].

El Large Electron-Positron collider (LEP) en el CERN probó varias predicciones entre los decaimientos de los bosones Z, y las confirmó.

La tabla siguiente muestra una comparación entre los valores medidos experimentalmente y los predichos por el Modelo Estándar:

Cantidad Medida (GeV) Predicción del
Modelo Estándar (GeV)
Masa del bosón W 80,4120 ± 0,0420 80,3900 ± 0,0180
Masa del bosón Z 91,1876 ± 0,0021 91,1874 ± 0,0021

Insuficiencias del Modelo Estándar[editar]

Una de las principales dificultades a superar para el modelo estándar ha sido la falta de evidencias científicas [Aclaración requerida]. No obstante el 4 de julio de 2012 los físicos anunciaron el hallazgo de un bosón compatible con las características descritas, entre otros, por Peter Higgs; en cuyo honor se bautizó la partícula. El hecho de ser localizado en dos detectores distintos así como su fiabilidad (grado de certeza o sigma) hace que muy probablemente este escollo del modelo estándar haya sido histórica y felizmente superado.

Incluso cuando el Modelo Estándar ha tenido gran éxito en explicar los resultados experimentales, tiene ciertas cuestiones importantes sin resolver[25] :

  1. El problema del número de constantes físicas fundamentales. El modelo contiene 19 parámetros arbitrarios cuyos valores se eligen para que las predicciones se ajusten a los resultados expermimentales.
  2. Por qué las interacciones se dan como simetrías gauge del grupo SUC(3)×SUL(2)×UY(1).
  3. Por qué hay tres generaciones de quarks y leptones.
  4. Por qué no hay hadrones con carga fraccionaria (a pesar que sus constituyentes, los quarks, sí la tienen).
  5. Cuál es el origen de las masas de los leptones y los quarks y/o la aparente jerarquía de masas.
  6. El origen de la violación CP. Dentro de él, la materia y la antimateria son simétricas. La preponderancia de la materia en el universo podría ser explicada diciendo que el universo comenzó con otras condiciones iniciales, pero la mayoría [¿quién?] de los físicos piensan que esta explicación no es elegante.
  7. No explica la materia oscura ni la energía oscura.

Parámetros arbitrarios del modelo estándar[editar]

El modelo estándar tiene 19 parámetros que deben establecerse de forma arbitraria para ser consisntente con los resultados expermientales. Estos son tres contantes de acoplamiento, las nueve masas de los fermiones cargados y los cuatro ángulos y fase de la matriz CMK. Adicionalmente las masas de los neutrinos y los seis ángulos de mezcla.

Constantes de acoplamiento[editar]

El modelo estándar tiene tres constantes de acoplamiento por cada grupo de simetría SUcolor(3), SUlevógiro(2), Uyukawa(1): g3, g' y g respectivamente. Alternativamente a g y g' se pueden definiir a partir del ángulo de mezcla electrodébil y la carga elemental:

O bien a partir de la constante de estructura fina.

Masas de los fermiones cargados[editar]

Las masas de los leptones cargados electrón, muón y tauón se pueden medir con relativa facilidad.

En cambio, como los quarks no se observan libremente, su masa tiene que infererirse.

Ángulos de mezcla de la matriz CMK[editar]

La matrix CMK queda definida por tres ángulos y una fase, único mecanismo conocido responsable de la violación CP.

Parámetros del mecanismo de Higgs[editar]

Uno de ellos es la esperanza en vacío, el cual fue determindado en 2012 en el LHC.

Otro parámetro es el acoplamiento de los fermiones al bosón de Higgs.

Parámetro θ de la Cromodinámica Cuántica[editar]

Ver Teoría de Peccei-Quinn

Parámetros Oscilación de los neutrinos[editar]

Ver Matriz de Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata

Extensiones al modelo estándar[editar]

Una meta importante de la física es encontrar la base común que uniría a todas éstas[cita requerida] en una teoría del todo, en la cual todas las otras leyes que conocemos serían casos especiales, y de la cual puede derivarse el comportamiento de toda la materia y energía (idealmente a partir de primeros principios).

Existen alternativas al Modelo Estándar que intentan dar respuesta a estas "deficiencias", como por ejemplo la teoría de cuerdas y la Gravedad cuántica de bucles.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. a b Gelmini, Graciela. «El Bosón de Higgs». Revista Ciencia e Investigación. Consultado el 26/8. 
  2. Albert Einstein. (26 de noviembre de 1905). «On the Electrodynamics of Moving Bodies». en.wikisource.org (en inglés). Consultado el 20/08/16. 
  3. Kuhlmann, Meinard (Octubre de 2013). «¿Qué es Real?». Investigación y Ciencia. Consultado el 17 de agosto de 2016. 
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  5. Ramos Martínez, Alberto. «La belleza en las leyes físicas». Investigación y Ciencia. Consultado el 16 de octubre de 2016. 
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  12. a b c Estas cargas no se pueden sumar tal cual pues son etiquetas usadas para la representación de grupo de los grupos de Lie.
  13. a b c La masa realmente es el acoplamiento entre un fermión zurdo con otro fermión diestro. Por ejemplo, la masa de un electrón es realmente el acoplamiento entre un electrón zurdo con otro electrón diestro, el cual es la antipartícula de un positrón zurdo. Los neutrinos muestran grandes mezclas en su acoplamiento de masas.
  14. a b c d Las masas de los bariones y los hadrones y varias secciones eficaces son cantidades medidas experimentalmente. Como los quarks no se pueden aislar por el confinamiento QCD, la cantidad dada aquí se supone la masa del quark en la escala de renormalización de la escala QCD.
  15. C. Patrignani et al. (Particle Data Group), Chin. Phys. C, 40, 100001 (2016). "9. Quantum Chromodynamics"
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  22. Para que un fermión emita una partícula y conseve su condición de spin semientero además de conservar globalmente el spin total antes y después de la interacción necesariamente tiene que ser entero: ½→1+ -½
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Bibliografía[editar]