Modelo estándar de física de partículas

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 que describe las relaciones entre las interacciones fundamentales conocidas y las 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).

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 cual 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 la Teoría cuántica de campos.

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

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

Según el modelo estándar prácticamente toda la materia másica estable conocida está constituida por 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 ese principio es lo que da a la materia sus atributos de impenetrabilidad. Aparte de sus antipartículas asociadas, el modelo estándar conjetura que existen doce tipos de partículas de materia, que combinadas forman todos los mesones y hadrones del universo. Seis de éstos se clasifican como quarks (up, down, strange, charm, top y bottom), y los otros seis como leptones (electrón, muon, tau, y sus neutrinos correspondientes).

Partículas de materia fundamentales del Modelo Estándar
Familias	Nombre	Símbolo	Nombre	Símbolo
	Leptones		Quarks
1^a	electrón	e	up	u
1^a	neutrino e	n_e	down	d
2^a	muon	µ	charm	c
2^a	neutrino µ	n_µ	strange	s
3^a	tau	$\tau$	top	t
3^a	neutrino $\tau$	n_$\tau$	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 (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.

Pares de cada grupo (un quark tipo up, un quark tipo down, un leptón 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 (Bosones)

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. 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. 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^–, 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 $W^\pm$ . Las interacciones débiles que implican al $W^\pm$ actúan exclusivamente en partículas zurdas y no sobre las antipartículas zurdas. Además, el $W^\pm$ 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.

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 derecha se representan las constantes fundamentales que indican la fuerza relativa de cada
interacción.
Interacción	Grupo gauge	Bosón	Símbolo	Fuerza relativa
Electromagnética	U(1)	fotón	Ɣ	a_em = 1/137
Débil	SU(2)	bosones intermedios	W^±, Z⁰	a_weak = 1,02 · 10^-5
Fuerte	SU(3)	gluones (8 tipos)	g	a_s(M_Z) = 0,121

Bosón de Higgs

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, 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

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 ^[1]	Masa ^[2]
Electrón	$e^-\,$	$-1\,$	$-1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	511 keV/C²
Positrón	$e^+\,$	$+1\,$	$0\,$	$+1\,$	$\bold{1}\,$	511 keV/C²
Neutrino electrónico	$\nu_e\,$	$0\,$	$+1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	< 2 eV/C²
Up quark	$u\,$	$+2/3\,$	$+1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	~ 3 MeV/C² ^[3]
Up antiquark	$\bar{u}\,$	$-2/3\,$	$0\,$	$-2/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	~ 3 MeV/C² ^[3]
Down quark	$d\,$	$-1/3\,$	$-1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	~ 6 MeV/C² ^[3]
Down antiquark	$\bar{d}\,$	$+1/3\,$	$0\,$	$+1/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	~ 6 MeV/C² ^[3]

Familia 2
Fermión (zurdo)	Símbolo	Carga eléctrica	Isospin débil	Hipercarga	Carga de Color ^[1]	Masa ^[2]
Muon	$\mu^-\,$	$-1\,$	$-1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	106 MeV/C²
Antimuón	$\mu^+\,$	$+1\,$	$0\,$	$+1\,$	$\bold{1}\,$	106 MeV/C²
Neutrino muónico	$\nu_\mu\,$	$0\,$	$+1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	< 2 eV/C²
Quark Charm	$c\,$	$+2/3\,$	$+1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	~ 1.3 GeV/C²
Antiquark Charm	$\bar{c}\,$	$-2/3\,$	$0\,$	$-2/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	~ 1.3 GeV/C²
Quark Strange	$s\,$	$-1/3\,$	$-1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	~ 100 MeV/C²
Antiquark Strange	$\bar{s}\,$	$+1/3\,$	$0\,$	$+1/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	~ 100 MeV/C²

Familia 3
Fermión (zurdo)	Símbolo	Carga eléctrica	Isospin débil	Hipercarga	Carga de Color ^[1]	Masa ^[2]
tau	$\tau^-\,$	$-1\,$	$-1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	1.78 GeV/C²
Anti-tau	$\tau^+\,$	$+1\,$	$0\,$	$+1\,$	$\bold{1}\,$	1.78 GeV/C²
Neutrino tauónico	$\nu_\tau\,$	$0\,$	$+1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	< 2 eV/C²
Top quark	$t\,$	$+2/3\,$	$+1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	171 GeV/C²
Top antiquark	$\bar{t}\,$	$-2/3\,$	$0\,$	$-2/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	171 GeV/C²
Bottom quark	$b\,$	$-1/3\,$	$-1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	~ 4.2 GeV/C²
Bottom antiquark	$\bar{b}\,$	$+1/3\,$	$0\,$	$+1/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	~ 4.2 GeV/C²

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.

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

Una de las principales dificultades a superar para el modelo estándar ha sido la falta de evidencias científicas. 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:

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 y la Gravedad cuántica de bucles.

Véase también

Física nuclear
Interacción débil y teoría electrodébil

Referencias

1 2 3 Estas cargas no se pueden sumar tal cual pues son etiquetas usadas para la representación de grupo de los grupos de Lie.
1 2 3 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.
1 2 3 4 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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