Modelo estándar de 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 que no incluye la gravedad, la cuarta interacción fundamental conocida, y debido también al número elevado [¿cuántos?] de parámetros numéricos (tales como masas y constantes que se juntan) que se deben poner a mano en la teoría (en vez de derivarse a partir de primeros principios).

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.

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. Ésta 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]

Campos y partículas[editar]

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.

Simetrías[editar]

Las simetrías internas o locales juegan un papel importante en el Modelo Estándar , ya que ellas determina una carga y las fuerzas que median entre ellas. El teorema de Noether establece una relación unívoca entre una simetría y una ley de conservación. 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
SU(2) Isospin débil Nuclear débil W+,W-,Z0
SUL(2)×UY(1) Hipercarga débil Electrodébil W1,W2,W3,B
SU(3) Carga de color Nuclear fuerte Gluón

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.

Modelo Estándar[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:

  1. La teoría electrodébil: Englobando el electromagnetismo, fotoquímica, enlaces y reacciones químicos, radioactividad.
  2. La cromodinámica cuántica, que servía como fundamento último de la física nuclear.
  3. La teoría general de la relatividad, que se aplicaba en cosmología, astrofísica y la mecánica macroscópicaa grandes escalas.

Frente a este panorama, el Modelo Estándar agrupa 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.

Para facilitar la descripción, el lagrangiano del sistema de partículas elementales según el Modelo Estándar se puede dividir en cuatro partes que son los partículas de materia, los campos gauge, el bosón de Higgs y la interacción de Yukawa[4] .

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.

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 confinados en grupos de dos o más quarks y antiquarks: mesones, hadrones y los hipotéticos tetraquarks, pentaquarks y moléculas hadrónicas[5] [6]

Por otro lado a los leptones y quarks se los puede agrupar en, hasta el momento, tres generaciones o familias. Cada generación difiere solamente en la masa, el resto de las propiedades, cargas, son idénticas entre generaciones. 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[7] .

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

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.

  • Cada quark puede llevar tres cargas de color (llamadas por conveniencia roja, verde o azul), que son usadas para describir como interactúan mediante interacción fuerte.
  • Los quarks tipo up (up, top o charm) llevan una carga eléctrica de +2/3, y los tipo down (down, strange y bottom) llevan una carga eléctrica de -1/3, permitiendo a ambos tipos participar en interacciones electromagnéticas.
  • Los leptones no llevan ninguna carga de color - son neutros en este sentido, por lo que no participan en las interacciones fuertes.
  • Los leptones tipo down (el electrón, el muon, y el leptón tau) llevan una carga eléctrica de -1, permitiéndoles participar en interacciones electromagnéticas.
  • Los leptones tipo up (los neutrinos) no llevan ninguna carga eléctrica, evitándose que participen en interacciones electromagnéticas.
  • Los quarks y los leptones llevan varias cargas de sabor, incluyendo el isospin débil, permitiendo a todas ellas interaccionar recíprocamente vía la interacción nuclear débil.

Fermiones en la interacción electromagnética[editar]

La electrodinámica cuántica describe con un altísimo nivel de precisión[cita requerida] la interacción mutua entre un fermión cargado y el campo electromagnético. Las interacciones se pueden resumir como sigue:

  • Un fermión cargado puede emitir o absorber un fotón.
  • Un par fermión-antifermión se aniquilan mutuamente produciendo un fotón y, en viceversa, un par fermión-antifermión se crea a partir de un fotón con suficiente energía.

La probabilidad con la que un fermión cargado emite o absorbe un fotón queda determinado por la constante de estructura fina.

Luego, bajo el electromagnetismo solamente se puede clasificar a los fermiones según su carga:

Fermión Carga

Fermiones en la interacción electrodébil[editar]

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[8] . 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].

Interacciones electrodébiles en los leptones[editar]

Bajo esta interacción los leptones se organizan de a pares por cada generación. Por ejemplo un electrón puede desprenderse de su carga transformándose en un neutrino electrónico y emitiendo un bosón W- . Las interacciones entre generaciones de leptones no se han observado.

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:

Organización de los leptones en la interacción electrodébil
Transformación de Paridad
Fermiones Levógiros Fermiones Dextrógiros
Conjugación de carga Materia
Antimateria
Interacción electrodébil entre quarks[editar]

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

Emisión/Absorción de bosones W Creación/Aniquilación de quarks

Al igual que la interacción entre leptones la carga se conserva a ambos lados de la interacción. Sin embargo las interacciones entre quarks de diferente generación son posible. Esta mezcla entre generaciones queda explicada por el mecanismo Cabbibo-Kobayashi-Maskawa.

Transformación de Paridad
Levógiros Dextrógiros
Conjugación de carga Quarks
Antiquarks

Decaimiento beta:

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 electromagnética permite que las partículas interactúen con campo electromagnético [Aclaración requerida]. 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 relatividad general de Einstein [Aclaración requerida]. El modelo estándar explica tales 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 1, 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 fotones median la fuerza electromagnética entre las partículas eléctricamente cargadas. El fotón no tiene masa y está descrito por la teoría de la electrodinámica cuántica.
  • 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, con el Z0 más masivo que el . Las interacciones débiles que implican al actúan exclusivamente en partículas zurdas y no sobre las antipartículas zurdas. 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. Estos tres bosones gauge junto con los fotones se agrupan juntos y medían colectivamente las interacciones electrodébiles.
  • Los ocho gluones median las interacciones nucleares fuertes entre las partículas cargadas con color (los quarks). 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). 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

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 otras partículas elementales [cita requerida], particularmente la diferencia entre el fotón sin masa y los bosones pesados W y Z. 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.

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
(zurdo)
Símbolo Carga
eléctrica
Isospin
débil
Hipercarga Carga de
Color
 [9]
Masa [10]
Electrón 511 keV/C²
Positrón 511 keV/C²
Neutrino electrónico < 2 eV/C²
Up quark ~ 3 MeV/C² [11]
Up antiquark ~ 3 MeV/C² [11]
Down quark ~ 6 MeV/C² [11]
Down antiquark ~ 6 MeV/C² [11]
 
Familia 2
Fermión
(zurdo)
Símbolo Carga
eléctrica
Isospin
débil
Hipercarga Carga de
Color
 [9]
Masa [10]
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
(zurdo)
Símbolo Carga
eléctrica
Isospin
débil
Hipercarga Carga de
Color
 [9]
Masa [10]
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


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 ciertos defectos importantes:

  1. El problema del número de constantes físicas fundamentales. El modelo contiene 19 parámetros libres, tales como las masas de las partículas, que deben ser determinados experimentalmente (además de 10 para las masas de los neutrinos). Esos parámetros no pueden ser calculados independientemente.
  2. Gravedad cuántica. El modelo no describe la fuerza gravitatoria, ni los candidatos actuales para construir una teoría cuántica de la gravedad, se asemejan al modelo estándar.
  3. Antimateria. 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 de los físicos piensan que esta explicación no es elegante.

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. 
  4. Zack Sullivan. «The Standar Model» (en inglés). 
  5. «Cuidado, LHCb ha observado una molécula hadrónica, no un pentaquark | Ciencia». La Ciencia de la Mula Francis. 15 de julio de 2015. Consultado el 17 de septiembre de 2016. 
  6. «NeoFronteras » ¿Molécula hadrónica o pentaquark? - Portada -». neofronteras.com. Consultado el 17 de septiembre de 2016. 
  7. Patterson, J. Ritchie (1995). «Lepton Universality». Beamline (en inglés). Consultado el 21 de septiembre de 2016. 
  8. K.A. Olive et al. (Particle Data Group) (2015). «The Review of Particle Physics» (PDF). http://pdg.lbl.gov/ (en inglés). Consultado el 25 de septiembre de 2016. «The weak interactions, on the other hand, violate C and P in the strongest possible way. For example, the charged W bosons couple to left-handed electrons, and to their CP-conjugate right-handed positrons, but to neither their C-conjugate left-handed positrons, nor their P-conjugate right-handed electrons.» 
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.

Bibliografía[editar]