Modelo estándar de física de
partículas

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Un átomo de Helio 4 según el modelo estándar,
se muestra de color rojo las interacciones electromagnéticas y de color morado
las Fuertes.

Los elementos básicos de la materia son 3.

Nombre y carga eléctrica de los seis
Quarks.

Nombre y carga eléctrica de los seis
leptones.

Cuadro general de las partículas, quarks y
leptones.

Diferencia entre los bariones y los
mesones.

Diferencia entre fermiones y bosones.

Tamaño relativo de las diferentes partículas
atómicas

División del universo en materia y
antimateria.

Ejemplo del decaimiento de un leptón en otras
partículas

Explicación de la interacción entre partículas a través de
las 4 fuerzas fundamentales

Zoo de partículas en la supersimetría.

Convergencia de las tres fuerzas. Se marca la energía máxima
del LHC

El modelo estándar de la física de
partículas es una teoría que describe las relaciones entre las 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).

Contenido

1 Modelo Estándar

1.1 Partículas de
materia

1.2 Partículas mediadoras
de fuerzas

1.3 Bosón de
Higgs

1.4 Lista de fermiones del
Modelo Estándar

2 Pruebas y
predicciones

3 Insuficiencias del Modelo
Estándar

4 Véase también

5 Referencias

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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.

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Partículas de
materia

Según el modelo estándar toda la materia conocida está 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).

Partículas fundamentales del Modelo Estándar

Leptones

Quarks

Familias

Nombre

Símbolo

Nombre

Símbolo

1a

electrón

e

up

u

neutrino e

ne

down

d

2a

muón

µ

charm

c

neutrino µ

nµ

strange

s

3a

tau

τ

top

t

neutrino τ

nτ

bottom

b

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.

[editar]
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 medían 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 medían 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 boson 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 medían 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.

Interacciones descritas por el Modelo Estándar junto con los grupos
gauge y los bosones asociados a cada una de ellas. En la columna de la izquierda
se representan las constantes fundamentales que indican la fuerza relativa de
cada interacción.

Interacción

Grupo gauge

Bosón

Símbolo

Fuerza relativa

Electromagnética

U(1)

fotón

g

aem = 1/137

Débil

SU(2)

bosones
intermedios

W±, Z0

aweak = 1,02 ·
10-5

Fuerte

SU(3)

gluones (8 tipos)

g

as(MZ) =
0,121

[editar]
Bosón de Higgs

Artículo principal: 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.

Hasta la fecha de (2010), 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.

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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.

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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 Electrón-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

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.

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Insuficiencias del 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 sea reparado después de un primer intento fallido y entre en pleno
funcionamiento en 2010[1]
. Incluso cuando el Modelo Estándar ha tenido gran éxito en explicar los
resultados experimentales, tiene ciertos defectos importantes:

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.

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.

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.

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

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Véase también

La
formulación teórica del modelo estándar

Interacción débil
y teoría
electrodébil

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Referencias

↑
CERN Press Release (2009). «Computer Model of an Injection Laser with Asymmetrical Gain
Distribution» n.º PR16.09.

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_estÃ¡ndar_de_fÃsica_de_partÃculas"

Categoría:
Física
nuclear y de partículas

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