Introducción al modelo estándar de la física de partículas
Es una teoría física que describe las partículas elementales que componen toda la materia y las interacciones fundamentales que las rigen, exceptuando la gravedad.
Es una teoría cuántica de campos desarrollada entre 1970 y 1973 que ha sido extraordinariamente exitosa en explicar un amplio rango de fenómenos físicos.
Principales características del modelo estándar:
- Partículas elementales: Describe las propiedades de 61 partículas elementales, incluyendo quarks, leptones, bosones gauge y el bosón de Higgs.
- Interacciones fundamentales: Explica tres de las cuatro fuerzas fundamentales: la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil.
- Simetrías: Se basa en el principio de simetría, que establece que las leyes físicas son las mismas para todos los observadores.
Por el momento, ha predicho con éxito la existencia de numerosas partículas, como el bosón de Higgs, que fue finalmente detectado en 2012.
Limitaciones del modelo estándar de partículas:
- No incluye la gravedad: No describe la fuerza de la gravedad, que es una de las cuatro fuerzas fundamentales.
- Materia oscura y energía oscura: No explica la existencia de la materia oscura y la energía oscura, que constituyen aproximadamente el 95% del universo.
- Nuevos fenómenos: No explica algunos fenómenos físicos observados, como las masas de los neutrinos.
A pesar de sus limitaciones, el modelo estándar es una de las teorías más importantes de la física moderna. Ha permitido comprender la estructura fundamental de la materia y ha abierto el camino a nuevas investigaciones en física de partículas.
Inventario de partículas del modelo estándar de la física
El modelo estándar de la física describe las partículas elementales que componen toda la materia y las interacciones fundamentales que las rigen, exceptuando la gravedad. Las partículas del modelo estándar se dividen en dos categorías principales:
a) Fermiones: son partículas que tienen espín ½ y obedecen el principio de exclusión de Pauli, que establece que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Los fermiones se dividen en dos tipos:
- Leptones: son partículas que no tienen carga de color y participan en la interacción electrodébil. Hay seis tipos de leptones: electrón, muón, tauón y sus neutrinos asociados.
- Quarks: son partículas que tienen carga de color y participan en la interacción fuerte. Hay seis tipos de quarks: arriba, abajo, extraño, encantado, cima y fondo.
b) Bosones: son partículas que tienen espín entero y no obedecen el principio de exclusión de Pauli. Los bosones son los mediadores de las interacciones fundamentales:
- Fotón: es el bosón de la interacción electromagnética. Es la partícula de luz.
- Gluón: es el bosón de la interacción fuerte. Es la partícula que une a los quarks para formar protones y neutrones.
- Bosones W y Z: son los bosones de la interacción nuclear débil. Son responsables de la desintegración beta y otros procesos nucleares.
- Bosón de Higgs: es el bosón que da masa a las demás partículas.
Tabla de partículas del modelo estándar:
El número de partículas del Modelo Estándar (ME) es una pregunta que ha intrigado a los físicos durante décadas. Si bien el ME ha sido increíblemente exitoso en describir las fuerzas fundamentales y las partículas que componen la materia, no hay una respuesta simple a la pregunta de por qué hay tantas partículas.
Aquí hay algunas de las razones por las que el ME contiene tantas partículas:
1. El ME se basa en un conjunto de simetrías que dictan cómo interactúan las partículas. Estas simetrías dan lugar a una gran cantidad de partículas, ya que cada partícula tiene una contraparte con carga opuesta.
2. Mecanismo de Higgs: El bosón de Higgs, descubierto en 2012, es responsable de dar masa a las partículas. El mecanismo de Higgs también requiere la existencia de otras partículas, como los fermiones de Higgs.
3. Las partículas del ME se agrupan en tres generaciones, cada una con una masa mayor que la anterior. La razón de la existencia de estas generaciones aún no se conoce del todo.
4. El ME no es una teoría completa, y se están desarrollando muchas extensiones para explicar las observaciones que no se pueden explicar con el ME actual.
| Partícula | Tipo | Carga | Masa (MeV/c²) | Interacciones |
| Electrón | Leptón | -1 | 0.511 | Electrodébil |
| Muón | Leptón | -1 | 105.66 | Electrodébil |
| Tauón | Leptón | -1 | 1776.82 | Electrodébil |
| Neutrino electrónico | Leptón | 0 | < 0.000002 | Electrodébil |
| Neutrino muónico | Leptón | 0 | < 0.000019 | Electrodébil |
| Neutrino tauónico | Leptón | 0 | < 0.00015 | Electrodébil |
| Up quark | Quark | +2/3 | 2.2 | Fuerte, electrodébil |
| Down quark | Quark | -1/3 | 4.7 | Fuerte, electrodébil |
| Strange quark | Quark | -1/3 | 95 | Fuerte, electrodébil |
| Charm quark | Quark | +2/3 | 1.275 | Fuerte, electrodébil |
| Top quark | Quark | +2/3 | 173.21 | Fuerte, electrodébil |
| Bottom quark | Quark | -1/3 | 4.18 | Fuerte, electrodébil |
| Fotón | Bosón | 0 | 0 | Electromagnética |
| Gluón | Bosón | 0 | 0 | Fuerte |
| Bosón W⁺ | Bosón | +1 | 80.385 | Nuclear débil |
| Bosón W⁻ | Bosón | -1 | 80.385 | Nuclear débil |
| Bosón Z | Bosón | 0 | 91.1876 | Nuclear débil |
| Bosón de Higgs | Bosón | 0 | 125.09 | Higgs |
Recursos adicionales que pueden ayudarte a comprender mejor el modelo estándar:
- Sociedad Nuclear Española
- Química.es
- CPAN
El desarrollo del modelo estándar de la física de partículas no se puede atribuir a una sola persona. Fue un esfuerzo colectivo de muchos físicos a lo largo de varias décadas.
Sin embargo, se reconoce a Murray Gell-Mann como uno de los principales contribuyentes por su trabajo en la organización de las partículas elementales en familias y la propuesta de la teoría de quarks.
Aportaciones al modelo estándar de la física de partículas
Otros físicos que también jugaron un papel importante en el desarrollo del modelo estándar incluyen:
- Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam: por la unificación de la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil en la teoría electrodébil.
- François Englert y Peter Higgs: por la predicción del bosón de Higgs, que finalmente se detectó en 2012.
- Gerard ‘t Hooft: por su trabajo en la renormalización de la teoría electrodébil.
Artículo escrito por: Daniel Jiménez
«Es importante destacar que el modelo estándar sigue siendo un campo de investigación activo y muchos físicos están trabajando para ampliarlo y mejorarlo.»