Modelo estándar de física de partículas

El modelo estándar de la física de partículas es una teoría que describe tres de las cuatro interacciones fundamentales conocidas entre partículas elementales que componen toda la materia. Es una teoría cuántica de campos desarrollada entre 1970 y 1973 que es consistente con la mecánica cuántica y la relatividad especial. Hasta la fecha, casi todas 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 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).

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Modelo Estándar

Actualmente en Física, la dinámica de la materia y de la energía en la naturaleza se entiende mejor en términos de cinemática e interacciones de partículas fundamentales. Hasta la fecha, la ciencia ha logrado reducir las leyes que parecen gobernar el comportamiento y la interacción de todos los tipos de materia y de energía que conocemos, a un conjunto pequeño de leyes y teorías fundamentales. Una meta importante de la física es encontrar la base común que uniría a todas éstas en una teoría del todo, en la cual todas las otras leyes que conocemos serían casos especiales, y de la cuál puede derivarse el comportamiento de toda la materia y energía (idealmente a partir de primeros principios).

Dentro de esto, el modelo estándar agrupa dos teorías importantes - el modelo electrodébil y la cromodinámica cuántica - lo que proporciona una teoría internamente consistente que describe las interacciones entre todas las partículas observadas experimentalmente. 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. Para una descripción técnica de los campos y de sus interacciones, ver el modelo estándar (detalles básicos).

Para facilitar la descripción, el modelo estándar se puede dividir en tres partes que son las partículas de materia, las partículas mediadoras de las fuerzas, y el bosón de Higgs.

Partículas de materia

Según el modelo estándar toda la materia conocida esta constituida de partículas que tienen una propiedad intrínseca llamada espín cuyo valor es 1/2. En los términos del modelo estándar todas las partículas de materia son fermiones. Por esta razón, siguen el principio de exclusión de Pauli de acuerdo con el teorema de la estadística del spin, y es lo que causa su calidad de materia. Aparte de sus antipartículas asociadas, el modelo estándar explica un total de doce tipos diversos de partículas de materia. Seis de éstos se clasifican como quarks (up, down, strange, charm, top y bottom), y los otros seis como leptones (electrón, muón, tau, y sus neutrinos correspondientes).

Las partículas de la materia también llevan cargas que las hacen susceptibles a las fuerzas fundamentales según lo descrito en la sección siguiente.

• Cada quark puede llevar tres cargas de color - roja, verde o azul, permitiéndoles participar en interacciones fuertes.
• 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, evitándose que participen en interacciones fuertes.
• Los leptones tipo down (el electrón, el muon, y el lepton 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.

Pares de cada grupo (un quark tipo up, un quark tipo down, un lepton tipo down y su neutrino correspondiente) forman las familias. Las partículas correspondientes entre cada familia son idénticas la una a la otra, a excepción de su masa y de una característica conocida como su sabor.

Partículas mediadoras de fuerzas

Las fuerzas en la física son la forma en que las partículas interaccionan recíprocamente y se influencian. A nivel macroscópico, por ejemplo, la fuerza electromagnética permite que las partículas interaccionen con, y vía, campos magnéticos, y la fuerza de la gravitación permite que dos partículas con masa se atraigan una a otra de acuerdo con la ley de gravitación de Newton. 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 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. 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^–, and 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 actuan 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 boson eléctricamente neutro Z⁰ interactua con ambas partículas y antipartículas zurdas. Estos tres bosones gauge junto con los fotones se agrupan juntos y median 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.

Las interacciones entre todas las partículas descritas por el modelo estándar se resumen en la ilustración siguiente.

Bosón de Higgs

La partícula de Higgs es una partícula elemental escalar masiva hipotética predicha por el modelo estándar, y la única partícula fundamental predicha por ese modelo que no se ha observado completamente hasta ahora. Esto es en parte porque requiere una cantidad excepcionalmente grande de energía para crearla y observarla bajo circunstancias de laboratorio. No tiene ningún spin intrínseco, y (como las partículas mediadoras de fuerza) se clasifica así como bosón.

El boson 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, 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); así, si se demuestra que existe, el boson de Higgs tiene un efecto enorme en el mundo alrededor nuestro.

A la fecha de 2007, ningún experimento ha detectado directamente la existencia del bosón de Higgs, pero hay una cierta evidencia indirecta de él. Se espera que la terminación del colisionador de hadrones del CERN traerá la evidencia experimental que confirme su existencia.

Lista de fermiones del Modelo Estándar

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 *	Masa **
Electrón						511 keV
Positrón						511 keV
Neutrino electrónico						< 2 eV
Up quark						~ 3 MeV ***
Up antiquark						~ 3 MeV ***
Down quark						~ 6 MeV ***
Down antiquark						~ 6 MeV ***
Familia 2
Fermión (zurdo)	Símbolo	Carga eléctrica	Isospin débil	Hipercarga	Carga de Color *	Masa **
Muón						106 MeV
Antimuón						106 MeV
Neutrino muónico						< 2 eV
Quark Charm						~ 1.3 GeV
Antiquark Charm						~ 1.3 GeV
Quark Strange						~ 100 MeV
Antiquark Strange						~ 100 MeV
Familia 3
Fermión (zurdo)	Símbolo	Carga eléctrica	Isospin débil	Hipercarga	Carga de Color *	Masa **
tau						1.78 GeV
Anti-tau						1.78 GeV
Neutrino tauónico						< 2 eV
Top quark						171 GeV
Top antiquark						171 GeV
Bottom quark						~ 4.2 GeV
Bottom antiquark						~ 4.2 GeV
Notas: * Estas cargas no se pueden sumar tal cual pues son etiquetas usadas para la representación de grupo de los grupos de Lie. ** 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. *** 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.

Pruebas y predicciones

El Modelo Estándar predecía la existencia de los bosones W y Z, el gluón, y los quarks top y charm antes de que esas partículas hubiesen sido observadas. Sus propiedades predichas fueron experimentalmente confirmadas con buena precisión.

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

Para obtener una idea del éxito del Modelo Estándar una comparación entre los valores medidos y predichos de algunas cantidades se muestran en la siguiente tabla:

Desafíos al Modelo Estándar

Aún no hay indicios experimentales de la existencia del bosón de Higgs, aunque se espera que pueda ser detectado por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cuando este entre en pleno funcionamiento en 2008.

Incluso cuando el Modelo Estándar ha tenido gran éxito en explicar los resultados experimentales, tiene dos defectos importantes:

1. 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. El modelo no describe la fuerza gravitatoria.

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.

Este modelo tampoco explica porqué un cuerpo sólido es sólido. Si representa un átomo a una escala en la que los neutrones y protones tuviesen 10 cm de diámetro, los quarks y electrones tendrían 1 mm de diámetro mientras que el átomo llegaría a tener 10 km de diámetro. Esto es, casi el 100% del átomo está vacío. También hay que tener en cuenta que la distancia entre los átomos que forman moléculas hay aún un porcentaje mayor de vacío.

Existen alternativas al Modelo Estándar que intentan dar respuesta a estos "fallos", como por ejemplo la teoría de cuerdas.

Véase también

• La formulación teórica del modelo estándar
• Interacción débil y teoría electrodébil