Modelo estandar

Teoría de fuerzas y partículas subatómicas.

El modelo estándar de física de partículas es la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas ( interacciones electromagnéticas , débiles y fuertes , excluyendo la gravedad ) en el universo y clasifica todas las partículas elementales conocidas . Se desarrolló por etapas a lo largo de la segunda mitad del siglo XX, gracias al trabajo de muchos científicos de todo el mundo, ^[1] y la formulación actual se finalizó a mediados de la década de 1970 tras la confirmación experimental de la existencia de los quarks . Desde entonces, la prueba del quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012) han añadido mayor credibilidad al modelo estándar. Además, el Modelo Estándar ha predicho varias propiedades de las corrientes neutras débiles y de los bosones W y Z con gran precisión.

Aunque se cree que el modelo estándar es teóricamente autoconsistente ^{[nota 1]} y ha demostrado cierto éxito al proporcionar predicciones experimentales , deja algunos fenómenos físicos sin explicar y, por lo tanto, no llega a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales . ^[3] Por ejemplo, no explica completamente la asimetría bariónica , no incorpora la teoría completa de la gravitación ^[4] como la describe la relatividad general , ni explica la expansión acelerada del universo como posiblemente la describe la energía oscura . El modelo no contiene ninguna partícula viable de materia oscura que posea todas las propiedades requeridas deducidas de la cosmología observacional . Tampoco incorpora oscilaciones de neutrinos y sus masas distintas de cero.

El desarrollo del modelo estándar fue impulsado tanto por físicos de partículas teóricos como experimentales . El modelo estándar es un paradigma de teoría cuántica de campos para los teóricos, que exhibe una amplia gama de fenómenos, incluida la ruptura espontánea de simetría , anomalías y comportamiento no perturbativo. Se utiliza como base para construir modelos más exóticos que incorporan partículas hipotéticas , dimensiones adicionales y simetrías elaboradas (como la supersimetría ) para explicar resultados experimentales que difieren del modelo estándar, como la existencia de materia oscura y oscilaciones de neutrinos.

Antecedentes históricos

En 1954, Yang Chen-Ning y Robert Mills ampliaron el concepto de teoría de calibre para grupos abelianos , por ejemplo, electrodinámica cuántica , a grupos no abelianos para proporcionar una explicación de las interacciones fuertes . ^[5] En 1957, Chien-Shiung Wu demostró que la paridad no se conservaba en la interacción débil . ^[6] En 1961, Sheldon Glashow combinó las interacciones electromagnéticas y débiles . ^[7] En 1967 Steven Weinberg ^[8] y Abdus Salam ^[9] incorporaron el mecanismo de Higgs ^{[10] [11] [12] en} la interacción electrodébil de Glashow , dándole su forma moderna.

Se cree que el mecanismo de Higgs da lugar a las masas de todas las partículas elementales del modelo estándar. Esto incluye las masas de los bosones W y Z , y las masas de los fermiones , es decir, los quarks y los leptones .

Después de que las corrientes neutrales débiles causadas por el intercambio del bosón Z fueran descubiertas en el CERN en 1973, ^{[13] [14] [15] [16] la teoría electrodébil fue ampliamente aceptada y Glashow, Salam y Weinberg compartieron el} Premio Nobel de Física de 1979 por descubriéndolo. Los bosones W ^± y Z ⁰ fueron descubiertos experimentalmente en 1983; y se descubrió que la proporción de sus masas era la predicha por el modelo estándar. ^[17]

La teoría de la interacción fuerte (es decir, la cromodinámica cuántica , QCD), a la que muchos contribuyeron, adquirió su forma moderna en 1973-74 cuando se propuso la libertad asintótica ^{[18] [19]} (un desarrollo que convirtió a la QCD en el foco principal de la investigación teórica). ) ^[20] y los experimentos confirmaron que los hadrones estaban compuestos de quarks con carga fraccionada. ^{[21] [22]}

El término "modelo estándar" fue introducido por Abraham Pais y Sam Treiman en 1975, ^[23] en referencia a la teoría electrodébil con cuatro quarks. ^[24] Steven Weinberg , desde entonces ha reclamado prioridad, explicando que eligió el término Modelo Estándar por un sentido de modestia ^{[25] [26] [27] [ se necesita mejor fuente ]} y lo usó en 1973 durante una charla en Aix- en-Provence en Francia. ^[28]

Contenido de partículas

El Modelo Estándar incluye miembros de varias clases de partículas elementales, que a su vez pueden distinguirse por otras características, como la carga de color .

Todas las partículas se pueden resumir de la siguiente manera:

• v
• t
• mi

Notas :
[†]Un antielectrón (
mi⁺
) se denomina convencionalmente " positrón ".

Fermiones

El Modelo Estándar incluye 12 partículas elementales de espín 1 ⁄ 2 , conocidas como fermiones . ^[29] Los fermiones respetan el principio de exclusión de Pauli , lo que significa que dos fermiones idénticos no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico en el mismo átomo. ^{[30] Cada fermión tiene una} antipartícula correspondiente , que son partículas que tienen propiedades correspondientes a excepción de las cargas opuestas . ^[31] Los fermiones se clasifican en función de cómo interactúan, que está determinado por las cargas que llevan, en dos grupos: quarks y leptones . Dentro de cada grupo, los pares de partículas que exhiben comportamientos físicos similares se agrupan en generaciones (consulte la tabla). Cada miembro de una generación tiene una masa mayor que la partícula correspondiente de las generaciones anteriores. Así, existen tres generaciones de quarks y leptones. ^[32] Como las partículas de primera generación no se desintegran, comprenden toda la materia ordinaria ( bariónica ). En concreto, todos los átomos están formados por electrones que orbitan alrededor del núcleo atómico , constituidos en última instancia por quarks arriba y abajo. Por otro lado, las partículas cargadas de segunda y tercera generación se desintegran con vidas medias muy cortas y sólo pueden observarse en entornos de alta energía. Los neutrinos de todas las generaciones tampoco se desintegran e impregnan el universo, pero rara vez interactúan con la materia bariónica.

Hay seis quarks: arriba , abajo , encanto , extraño , arriba y abajo . ^{[29] [32]} Los quarks llevan carga de color y, por lo tanto, interactúan a través de la interacción fuerte . El fenómeno de confinamiento del color da como resultado que los quarks se unan fuertemente entre sí de modo que formen partículas compuestas de color neutro llamadas hadrones ; Los quarks no pueden existir individualmente y siempre deben unirse con otros quarks. Los hadrones pueden contener un par quark-antiquark ( mesones ) o tres quarks ( bariones ). ^[33] Los bariones más ligeros son los nucleones : el protón y el neutrón . Los quarks también transportan carga eléctrica e isospin débil y, por lo tanto, interactúan con otros fermiones a través del electromagnetismo y la interacción débil . Los seis leptones están formados por el electrón , el neutrino electrónico , el muón , el neutrino muónico , la tau y el neutrino tau . Los leptones no llevan carga de color y no responden a interacciones fuertes. Los leptones principales llevan una carga eléctrica de -1 e , mientras que los tres neutrinos llevan una carga eléctrica neutra. Por lo tanto, el movimiento de los neutrinos sólo está influenciado por la interacción débil y la gravedad , lo que los hace difíciles de observar.

Bosones de calibre

Interacciones en el modelo estándar. Todos los diagramas de Feynman del modelo se construyen a partir de combinaciones de estos vértices. q es cualquier quark, g es un gluón, X es cualquier partícula cargada, γ es un fotón, f es cualquier fermión, m es cualquier partícula con masa (con la posible excepción de los neutrinos), m _B es cualquier bosón con masa. En diagramas con múltiples etiquetas de partículas separadas por / se elige una etiqueta de partícula. En diagramas con etiquetas de partículas separadas por | las etiquetas deben elegirse en el mismo orden. Por ejemplo, en el caso electrodébil de cuatro bosones los diagramas válidos son WWWW, WWZZ, WWγγ, WWZγ. También se permite el conjugado de cada vértice listado (invirtiendo la dirección de las flechas). ^[34]

El modelo estándar incluye 4 tipos de bosones calibre de espín 1, ^[29] siendo los bosones partículas cuánticas que contienen un espín entero. Los bosones de calibre se definen como portadores de fuerza , ya que son responsables de mediar en las interacciones fundamentales . El modelo estándar explica que las cuatro fuerzas fundamentales surgen de las interacciones, con fermiones intercambiando partículas portadoras de fuerzas virtuales , mediando así las fuerzas. A escala macroscópica, esto se manifiesta como una fuerza . ^[35] Como resultado, no siguen el principio de exclusión de Pauli que restringe los fermiones; Los bosones no tienen un límite teórico en su densidad espacial . Los tipos de bosones de calibre se describen a continuación.

• Electromagnetismo : Los fotones median la fuerza electromagnética, responsable de las interacciones entre partículas cargadas eléctricamente. El fotón no tiene masa y está descrito por la teoría de la electrodinámica cuántica (QED).
• Interacciones fuertes : los gluones median las interacciones fuertes, que unen los quarks entre sí al influir en la carga de color , y las interacciones se describen en la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD). No tienen masa y hay ocho gluones distintos, cada uno de los cuales se indica mediante una combinación de carga de color y anticolor (por ejemplo, rojo-antiverde). ^{[nota 2]} Como los gluones tienen una carga de color efectiva, también pueden interactuar entre ellos.
• Interacciones débiles : el
  W.⁺
  ,
  W.⁻
  , y
  z
  Los bosones de calibre median las interacciones débiles entre todos los fermiones, siendo responsables de la radiactividad . Contienen masa, con la
  z
  tener más masa que el
  W.^±
  . Las interacciones débiles que involucran
  W.^±
  Actúa sólo sobre partículas zurdas y antipartículas diestras . El
  W.^±
  lleva una carga eléctrica de +1 y −1 y se acopla a la interacción electromagnética. El electricamente neutro
  z
  El bosón interactúa tanto con partículas zurdas como con antipartículas diestras. Estos tres bosones de calibre junto con los fotones se agrupan, mediando colectivamente la interacción electrodébil .
• Gravedad : actualmente no se explica en el modelo estándar, ya que se ha propuesto la hipotética partícula mediadora gravitón , pero no se ha observado. ^[37] Esto se debe a la incompatibilidad de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein , considerada la mejor explicación de la gravedad. En la relatividad general, la gravedad se explica como la curvatura geométrica del espacio-tiempo. ^[38]

Los cálculos del diagrama de Feynman , que son una representación gráfica de la aproximación de la teoría de la perturbación , invocan "partículas mediadoras de fuerza" y, cuando se aplican para analizar experimentos de dispersión de alta energía, concuerdan razonablemente con los datos. Sin embargo, la teoría de la perturbación (y con ella el concepto de "partícula mediadora de fuerzas") falla en otras situaciones. Estos incluyen la cromodinámica cuántica de baja energía, los estados ligados y los solitones . Las interacciones entre todas las partículas descritas por el Modelo Estándar se resumen en los diagramas a la derecha de esta sección.

bosón de Higgs

La partícula de Higgs es una partícula elemental escalar masiva teorizada por Peter Higgs ( y otros ) en 1964, cuando demostró que el teorema de Goldstone de 1962 (simetría continua genérica, que se rompe espontáneamente) proporciona una tercera polarización de un campo vectorial masivo. Por lo tanto, el doblete escalar original de Goldstone, la partícula masiva de espín cero, se propuso como el bosón de Higgs y es un componente clave del modelo estándar. ^[39] No tiene espín intrínseco , y por esa razón se clasifica como un bosón con espín-0. ^[29]

El bosón de Higgs desempeña un papel único en el modelo estándar, al explicar por qué las otras partículas elementales, excepto el fotón y el gluón , son masivas. En particular, el bosón de Higgs explica por qué el fotón no tiene masa, mientras que los bosones W y Z son muy pesados. Las masas de las partículas elementales y las diferencias entre el electromagnetismo (mediado por el fotón) y la fuerza débil (mediada por los bosones W y Z) son fundamentales para muchos aspectos de la estructura de la materia microscópica (y por tanto macroscópica). En la teoría electrodébil , el bosón de Higgs genera las masas de los leptones (electrón, muón y tau) y los quarks. Como el bosón de Higgs es masivo, debe interactuar consigo mismo.

Dado que el bosón de Higgs es una partícula muy masiva y además se desintegra casi inmediatamente cuando se crea, sólo un acelerador de partículas de muy alta energía puede observarlo y registrarlo. Los experimentos para confirmar y determinar la naturaleza del bosón de Higgs utilizando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN comenzaron a principios de 2010 y se realizaron en el Tevatron del Fermilab hasta su cierre a finales de 2011. La coherencia matemática del modelo estándar requiere que cualquier mecanismo capaz de generar masas de partículas elementales debe hacerse visible ^{[ se necesita aclaración ]} en energías superiores1,4  TeV ; ^[40] por lo tanto, el LHC (diseñado para colisionar dos7 TeV ) se construyó para responder a la pregunta de si el bosón de Higgs realmente existe. ^[41]

El 4 de julio de 2012, dos de los experimentos del LHC ( ATLAS y CMS ) informaron de forma independiente que habían encontrado una nueva partícula con una masa de aproximadamente125  GeV/ c ² (alrededor de 133 masas de protones, del orden de10 ⁻²⁵  kg ), que es "consistente con el bosón de Higgs". ^{[42] [43]} El 13 de marzo de 2013, se confirmó que era el bosón de Higgs buscado. ^{[44] [45]}

Aspectos teóricos

Construcción del modelo estándar lagrangiano

Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el modelo estándar, en el que un lagrangiano controla la dinámica y cinemática de la teoría. Cada tipo de partícula se describe en términos de un campo dinámico que impregna el espacio-tiempo . ^[46] La construcción del Modelo Estándar procede siguiendo el método moderno de construir la mayoría de las teorías de campo: postulando primero un conjunto de simetrías del sistema, y ​​luego escribiendo el Lagrangiano renormalizable más general a partir de su contenido de partículas (campo) que observa estas simetrías.

La simetría global de Poincaré se postula para todas las teorías relativistas de campos cuánticos. Consiste en la familiar simetría traslacional , la simetría rotacional y la invariancia del marco de referencia inercial, centrales en la teoría de la relatividad especial . La simetría de calibre local SU(3)×SU(2)×U(1) es una simetría interna que esencialmente define el modelo estándar. Aproximadamente, los tres factores de la simetría de calibre dan lugar a las tres interacciones fundamentales. Los campos se dividen en diferentes representaciones de los distintos grupos de simetría del Modelo Estándar (ver tabla). Al escribir el lagrangiano más general, se encuentra que la dinámica depende de 19 parámetros, cuyos valores numéricos se establecen experimentalmente. Los parámetros se resumen en la tabla (que se hace visible al hacer clic en "mostrar") arriba.

Sector de la cromodinámica cuántica

El sector de la cromodinámica cuántica (QCD) define las interacciones entre quarks y gluones, que es una teoría de calibre de Yang-Mills con simetría SU (3), generada por . Dado que los leptones no interactúan con los gluones, este sector no los afecta. El Lagrangiano de Dirac de los quarks acoplados a los campos de gluones viene dado por ${\displaystyle T^{a}=\lambda ^{a}/2}$

$${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{QCD}}={\overline {\psi }}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }\psi -{\frac {1}{4}}G_{\mu \nu }^{a}G_{a}^{\mu \nu },}$$

donde es un vector de columna de tres componentes de Dirac Spinors , cada elemento del cual se refiere a un campo de quark con una carga de color específica (es decir, rojo, azul y verde) y suma sobre el sabor (es decir, arriba, abajo, extraño, etc.) es implícito. ${\displaystyle \psi }$

La derivada covariante de calibre de QCD se define por , donde ${\displaystyle D_{\mu }\equiv \partial _{\mu }-ig_{s}{\frac {1}{2}}\lambda ^{a}G_{\mu }^{a}}$

• γ ^μ son las matrices de Dirac ,
• GRAMO^una
  _µes el campo de calibre SU(3) de 8 componentes ( ), ${\displaystyle a=1,2,\dots ,8}$
• λ^a
  son las matrices Gell-Mann 3 × 3 , generadoras del grupo de colores SU(3),
• GRAMO^un
  _µνrepresenta el tensor de intensidad de campo de gluones , y
• g _s es la constante de acoplamiento fuerte.

El QCD Lagrangiano es invariante bajo transformaciones de calibre locales SU(3); es decir, transformaciones de la forma , donde es una matriz unitaria con determinante 1, lo que la convierte en miembro del grupo SU(3), y es una función arbitraria del espaciotiempo. ${\displaystyle \psi \rightarrow \psi '=U\psi }$ ${\displaystyle U=e^{-ig_{s}\lambda ^{a}\phi ^{a}(x)}}$ ${\displaystyle 3\times 3}$ ${\displaystyle \phi ^{a}(x)}$

Sector electrodébil

El sector electrodébil es una teoría de calibre de Yang-Mills con el grupo de simetría U(1) × SU(2) _L ,

$${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{EW}}={\overline {Q}}_{Lj}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }Q_{Lj}+{\overline {u}}_{Rj}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }u_{Rj}+{\overline {d}}_{Rj}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }d_{Rj}+{\overline {\ell }}_{Lj}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }\ell _{Lj}+{\overline {e}}_{Rj}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }e_{Rj}-{\tfrac {1}{4}}W_{a}^{\mu \nu }W_{\mu \nu }^{a}-{\tfrac {1}{4}}B^{\mu \nu }B_{\mu \nu },}$$

donde el subíndice suma las tres generaciones de fermiones; , y son los campos de quarks de tipo singlete zurdo, singlete derecho arriba y singlete derecho abajo; y y son los campos leptónicos doblete zurdos y singletes diestros. ${\displaystyle j}$ ${\displaystyle Q_{L},u_{R}}$ ${\displaystyle d_{R}}$ ${\displaystyle \ell _{L}}$ ${\displaystyle e_{R}}$

La derivada covariante de calibre electrodébil se define como , donde ${\displaystyle D_{\mu }\equiv \partial _{\mu }-ig'{\tfrac {1}{2}}Y_{\text{W}}B_{\mu }-ig{\tfrac {1}{2}}{\vec {\tau }}_{\text{L}}{\vec {W}}_{\mu }}$

• B _μ es el campo de calibre U(1),
• Y _W es la hipercarga débil : el generador del grupo U(1),
• W → _μ es el campo de calibre SU (2) de 3 componentes,
• τ _L → son las matrices de Pauli – generadores infinitesimales del grupo SU(2) – con subíndice L para indicar que sólo actúan sobrefermiones quirales izquierdos ,
• g' y g son las constantes de acoplamiento U(1) y SU(2) respectivamente,
• ${\displaystyle W^{a\mu \nu }}$( ) y son los tensores de intensidad de campo para los campos de isospín débil y de hipercarga débil. ${\displaystyle a=1,2,3}$ ${\displaystyle B^{\mu \nu }}$

Observe que la adición de términos de masa de fermiones al lagrangiano electrodébil está prohibida, ya que los términos de la forma no respetan la invariancia de calibre U(1) × SU(2) _L. Tampoco es posible agregar términos de masa explícitos para los campos de calibre U(1) y SU(2). El mecanismo de Higgs es responsable de la generación de las masas del bosón de calibre, y las masas de los fermiones resultan de interacciones de tipo Yukawa con el campo de Higgs. ${\displaystyle m{\overline {\psi }}\psi }$

sector de Higgs

En el modelo estándar, el campo de Higgs es un doblete de campos escalares complejos con cuatro grados de libertad: ${\displaystyle \operatorname {SU} (2)_{\text{L}}}$

$${\displaystyle \varphi ={\begin{pmatrix}\varphi ^{+}\\\varphi ^{0}\end{pmatrix}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}\varphi _{1}+i\varphi _{2}\\\varphi _{3}+i\varphi _{4}\end{pmatrix}},}$$

${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Y_{\text{W}}}$

$${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{H}}=\left(D_{\mu }\varphi \right)^{\dagger }\left(D^{\mu }\varphi \right)-V(\varphi ),}$$

${\displaystyle D_{\mu }}$ ${\displaystyle V(\varphi )}$ ${\displaystyle W_{\mu }^{a}}$ ${\displaystyle B_{\mu }}$ ${\displaystyle \varphi }$

$${\displaystyle V(\varphi )=-\mu ^{2}\varphi ^{\dagger }\varphi +\lambda \left(\varphi ^{\dagger }\varphi \right)^{2},}$$

valor esperado de vacío ${\displaystyle \mu ^{2}>0}$ ${\displaystyle \varphi }$ ${\displaystyle \lambda >0}$ ${\displaystyle \varphi }$

El mínimo del potencial se degenera con un número infinito de soluciones de estado fundamental equivalentes , lo que ocurre cuando . Es posible realizar una transformación de calibre de tal manera que el estado fundamental se transforme a una base donde y . Esto rompe la simetría del estado fundamental. El valor esperado de ahora se convierte en ${\displaystyle \varphi ^{\dagger }\varphi ={\tfrac {\mu ^{2}}{2\lambda }}}$ ${\displaystyle \varphi }$ ${\displaystyle \varphi _{1}=\varphi _{2}=\varphi _{4}=0}$ ${\displaystyle \varphi _{3}={\tfrac {\mu }{\sqrt {\lambda }}}\equiv v}$ ${\displaystyle \varphi }$

$${\displaystyle \langle \varphi \rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}0\\v\end{pmatrix}},}$$

${\displaystyle v}$246 GeVc2 ^.

Después de la ruptura de la simetría, las masas de y están dadas por y , lo que puede verse como predicciones de la teoría. El fotón permanece sin masa. La masa del bosón de Higgs es . Dado que y son parámetros libres, la masa del Higgs no podía predecirse de antemano y debía determinarse experimentalmente. ${\displaystyle {\text{W}}}$ ${\displaystyle {\text{Z}}}$ ${\displaystyle m_{\text{W}}={\frac {1}{2}}gv}$ ${\displaystyle m_{\text{Z}}={\frac {1}{2}}{\sqrt {g^{2}+g'^{2}}}v}$ ${\displaystyle m_{\text{H}}={\sqrt {2\mu ^{2}}}={\sqrt {2\lambda }}v}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle \lambda }$

sector yukawa

Los términos de interacción de Yukawa son:

$${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{Yukawa}}=(Y_{\text{u}})_{mn}({\bar {Q}}_{\text{L}})_{m}{\tilde {\varphi }}(u_{\text{R}})_{n}+(Y_{\text{d}})_{mn}({\bar {Q}}_{\text{L}})_{m}\varphi (d_{\text{R}})_{n}+(Y_{\text{e}})_{mn}({\bar {\ell }}_{\text{L}})_{m}{\varphi }(e_{\text{R}})_{n}+\mathrm {h.c.} }$$

donde , y son matrices 3 × 3 de acoplamientos Yukawa, donde el término mn da el acoplamiento de las generaciones myn , y hc significa conjugado hermitiano de los términos anteriores. Los campos y son dobletes de quarks y leptones zurdos. Asimismo, y son quarks diestros de tipo arriba, quarks de tipo abajo y singletes de leptones. Finalmente está el doblete de Higgs y es su estado de carga conjugada. ${\displaystyle Y_{\text{u}}}$ ${\displaystyle Y_{\text{d}}}$ ${\displaystyle Y_{\text{e}}}$ ${\displaystyle Q_{\text{L}}}$ ${\displaystyle \ell _{\text{L}}}$ ${\displaystyle u_{\text{R}},d_{\text{R}}}$ ${\displaystyle e_{\text{R}}}$ ${\displaystyle \varphi }$ ${\displaystyle {\tilde {\varphi }}=i\tau _{2}\varphi ^{*}}$

Los términos de Yukawa son invariantes bajo la simetría de calibre del modelo estándar y generan masas para todos los fermiones después de una ruptura espontánea de la simetría. ${\displaystyle \operatorname {SU} (2)_{\text{L}}\times \operatorname {U} (1)_{\text{Y}}}$

Interacciones fundamentales

El Modelo Estándar describe tres de las cuatro interacciones fundamentales en la naturaleza; Sólo la gravedad sigue sin explicación. En el modelo estándar, dicha interacción se describe como un intercambio de bosones entre los objetos afectados, como por ejemplo un fotón para la fuerza electromagnética y un gluón para la interacción fuerte. Esas partículas se llaman portadoras de fuerza o partículas mensajeras . ^[47]

Gravedad

Interacciones fundamentales del modelo estándar, incluido el hipotético Gravitón.

A pesar de ser quizás la interacción fundamental más familiar, la gravedad no se describe en el modelo estándar, debido a las contradicciones que surgen al combinar la relatividad general, la teoría moderna de la gravedad y la mecánica cuántica. Sin embargo, la gravedad es tan débil a escalas microscópicas que es esencialmente inmensurable. Se postula que el gravitón es la partícula mediadora, pero aún no se ha demostrado su existencia.

Electromagnetismo

El electromagnetismo es la única fuerza de largo alcance en el modelo estándar. Está mediado por fotones y pares de carga eléctrica. ^[49] El electromagnetismo es responsable de una amplia gama de fenómenos que incluyen la estructura de la capa de electrones atómicos , los enlaces químicos , los circuitos eléctricos y la electrónica . Las interacciones electromagnéticas en el modelo estándar se describen mediante electrodinámica cuántica.

Fuerza nuclear débil

La interacción débil es responsable de diversas formas de desintegración de partículas , como la desintegración beta . Es débil y de corto alcance, debido al hecho de que las partículas mediadoras débiles, los bosones W y Z, tienen masa. Los bosones W tienen carga eléctrica y median interacciones que cambian el tipo de partícula (denominado sabor) y la carga. Las interacciones mediadas por bosones W son interacciones cargadas de corriente . Los bosones Z son neutros y median interacciones de corrientes neutras, que no cambian el sabor de las partículas. Por tanto, los bosones Z son similares al fotón, además de ser masivos e interactuar con el neutrino. La interacción débil es también la única interacción que viola la paridad y el CP . La violación de la paridad es máxima para las interacciones de corriente cargada, ya que el bosón W interactúa exclusivamente con fermiones zurdos y antifermiones diestros.

En el Modelo Estándar, la fuerza débil se entiende en términos de la teoría electrodébil, que establece que las interacciones débiles y electromagnéticas se unen en una sola interacción electrodébil a altas energías.

Fuerte fuerza nuclear

La fuerza nuclear fuerte es responsable de la unión hadrónica y nuclear . Está mediado por gluones, que se acoplan para formar una carga de color. Dado que los propios gluones tienen carga de color, la fuerza fuerte exhibe confinamiento y libertad asintótica . El confinamiento significa que sólo las partículas de color neutro pueden existir aisladas, por lo tanto los quarks sólo pueden existir en hadrones y nunca de forma aislada, a bajas energías. La libertad asintótica significa que la fuerza fuerte se vuelve más débil a medida que aumenta la escala de energía. La fuerza fuerte domina la repulsión electrostática de protones y quarks en núcleos y hadrones respectivamente, en sus respectivas escalas.

Mientras que los quarks están unidos en los hadrones por la interacción fuerte fundamental, que está mediada por los gluones, los nucleones están unidos por un fenómeno emergente denominado fuerza fuerte residual o fuerza nuclear . Esta interacción está mediada por mesones, como el pión . Las cargas de color dentro del nucleón se cancelan, lo que significa que la mayoría de los campos de gluones y quarks se cancelan fuera del nucleón. Sin embargo, se "fuga" algún residuo, que aparece como el intercambio de mesones virtuales, que provoca la fuerza de atracción entre nucleones. La interacción fuerte (fundamental) se describe mediante la cromodinámica cuántica, que es un componente del modelo estándar.

Pruebas y predicciones

El Modelo Estándar predijo la existencia de los bosones W y Z , el gluón , el quark top y el quark charm , y predijo muchas de sus propiedades antes de que se observaran estas partículas. Las predicciones fueron confirmadas experimentalmente con buena precisión. ^[50]

El Modelo Estándar también predijo la existencia del bosón de Higgs , que se encontró en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones , la última partícula fundamental predicha por el Modelo Estándar que será confirmada experimentalmente. ^[51]

Desafíos

Problema no resuelto en física :

• ¿Qué da origen al Modelo Estándar de física de partículas?
• ¿Por qué las masas de las partículas y las constantes de acoplamiento tienen los valores que medimos?
• ¿Por qué hay tres generaciones de partículas?
• ¿Por qué hay más materia que antimateria en el universo?
• ¿Dónde encaja la materia oscura en el modelo? ¿Consta siquiera de una o más partículas nuevas?

(más problemas sin resolver en física)

La autoconsistencia del modelo estándar (actualmente formulado como una teoría de calibre no abeliano cuantificada mediante integrales de trayectoria) no ha sido demostrada matemáticamente. Si bien existen versiones regularizadas útiles para cálculos aproximados (por ejemplo, teoría del calibre de red ), no se sabe si convergen (en el sentido de elementos de la matriz S) en el límite en el que se elimina el regulador. Una cuestión clave relacionada con la coherencia es el problema de existencia y brecha de masa de Yang-Mills .

Los experimentos indican que los neutrinos tienen masa , algo que el Modelo Estándar clásico no permitía. ^[52] Para adaptarse a este hallazgo, el modelo estándar clásico puede modificarse para incluir la masa del neutrino, aunque no es obvio exactamente cómo debe hacerse.

Si se insiste en utilizar sólo partículas del modelo estándar, esto se puede lograr añadiendo una interacción no renormalizable de leptones con el bosón de Higgs. ^[53] En un nivel fundamental, tal interacción emerge en el mecanismo de balancín donde se agregan a la teoría neutrinos diestros pesados. Esto es natural en la extensión simétrica izquierda-derecha del Modelo Estándar ^{[54] [55]} y en ciertas grandes teorías unificadas . ^[56] Mientras aparezca nueva física por debajo o alrededor de 10 ¹⁴ GeV , las masas de los neutrinos pueden ser del orden de magnitud correcto.

La investigación teórica y experimental ha intentado extender el modelo estándar a una teoría de campo unificado o una teoría del todo , una teoría completa que explique todos los fenómenos físicos, incluidas las constantes. Las deficiencias del modelo estándar que motivan dicha investigación incluyen:

• El modelo no explica la gravitación , aunque la confirmación física de una partícula teórica conocida como gravitón la explicaría hasta cierto punto. Aunque aborda interacciones fuertes y electrodébiles, el modelo estándar no explica consistentemente la teoría canónica de la gravitación, la relatividad general , en términos de la teoría cuántica de campos . La razón de esto es, entre otras cosas, que las teorías cuánticas de campo de la gravedad generalmente se desmoronan antes de alcanzar la escala de Planck . En consecuencia, no disponemos de una teoría fiable para el universo primitivo.
• Algunos físicos lo consideran ad hoc y poco elegante, ya que requiere 19 constantes numéricas cuyos valores no están relacionados y son arbitrarios. ^[57] Aunque el Modelo Estándar, tal como está ahora, puede explicar por qué los neutrinos tienen masa, los detalles específicos de la masa del neutrino aún no están claros. Se cree que explicar la masa del neutrino requerirá 7 u 8 constantes adicionales, que también son parámetros arbitrarios. ^[58]
• El mecanismo de Higgs da lugar al problema de la jerarquía si alguna física nueva (acoplada al Higgs) está presente en escalas de energía altas. En estos casos, para que la escala débil sea mucho más pequeña que la escala de Planck , se requiere un ajuste severo de los parámetros; Sin embargo, existen otros escenarios que incluyen la gravedad cuántica en los que se puede evitar ese ajuste fino. ^[59] También hay cuestiones de trivialidad cuántica , lo que sugiere que puede no ser posible crear una teoría cuántica de campos consistente que involucre partículas escalares elementales. ^[60]
• El modelo es inconsistente con el modelo de cosmología emergente Lambda-CDM . Los argumentos incluyen la ausencia de una explicación en el Modelo Estándar de física de partículas para la cantidad observada de materia oscura fría (MDL) y sus contribuciones a la energía oscura , que son demasiado grandes en muchos órdenes de magnitud. También es difícil dar cabida al predominio observado de la materia sobre la antimateria ( asimetría materia / antimateria ). La isotropía y homogeneidad del universo visible a grandes distancias parece requerir un mecanismo como la inflación cósmica , que también constituiría una extensión del Modelo Estándar.

Actualmente, ninguna teoría propuesta del todo ha sido ampliamente aceptada o verificada.

Ver también

• Teoría de Yang-Mills
• Interacción fundamental :
  • Electrodinámica cuántica
  • Interacción fuerte : carga de color , cromodinámica cuántica , modelo Quark
  • Interacción débil : interacción electrodébil , interacción de Fermi , hipercarga débil , isospin débil
• Teoría de calibres : Introducción a la teoría de calibres
• Generación
• Mecanismo de Higgs : bosón de Higgs , alternativas al modelo estándar de Higgs
• lagrangiano
• Preguntas abiertas: violación de CP , masas de neutrinos , materia QCD , trivialidad cuántica
• Teoría cuántica de campos
• Modelo Estándar: Formulación matemática de la Física más allá del Modelo Estándar
• Momento dipolar eléctrico del electrón.

Notas

1. Hay cuestiones matemáticas relacionadas con las teorías cuánticas de campos que aún se están debatiendo (ver, por ejemplo, el polo de Landau ), pero las predicciones extraídas del modelo estándar mediante los métodos actuales aplicables a los experimentos actuales son todas autoconsistentes. ^[2]
2. Aunque existen matemáticamente nueve combinaciones de color y anticolor, los gluones forman partículas de octeto de color. Como una combinación simétrica de color es lineal y forma partículas singletes de color, hay ocho gluones posibles. ^[36]

Referencias

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Otras lecturas

• R. Oerter (2006). La teoría de casi todo: el modelo estándar, el triunfo anónimo de la física moderna . Penacho.
• BA Schumm (2004). Cosas profundas: la impresionante belleza de la física de partículas . Prensa de la Universidad Johns Hopkins. ISBN 978-0-8018-7971-5.
• "Gráfico interactivo del modelo estándar de física de partículas".

Libros de texto introductorios

• I. Aitchison; R. Oye (2003). Teorías de calibres en física de partículas: una introducción práctica . Instituto de Física. ISBN 978-0-585-44550-2.
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• GD Coughlan; JE Dodd; BM Gripaios (2006). Las ideas de la física de partículas: una introducción para los científicos . Prensa de la Universidad de Cambridge.
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• GL Kane (1987). Física de partículas elementales moderna . Libros de Perseo. ISBN 978-0-201-11749-3.

Libros de texto avanzados

• TP Cheng; LF Li (2006). Teoría de calibre de la física de partículas elementales . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-851961-4.Destaca los aspectos de la teoría del calibre del modelo estándar.
• JF Donoghue; E. Golowich; BR Holstein (1994). Dinámica del Modelo Estándar . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-47652-2.Destaca aspectos dinámicos y fenomenológicos del Modelo Estándar.
• L. O'Raifeartaigh (1988). Estructura de grupo de teorías de calibre . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-34785-3.
• Nagashima, Yorikiyo (2013). Física de partículas elementales: fundamentos del modelo estándar, volumen 2. Wiley. ISBN 978-3-527-64890-0.920 páginas.
• Schwartz, Matthew D. (2014). Teoría cuántica de campos y modelo estándar. Universidad de Cambridge. ISBN 978-1-107-03473-0.952 páginas.
• Langacker, Paul (2009). El modelo estándar y más allá. Prensa CRC. ISBN 978-1-4200-7907-4. 670 páginas. Destaca los aspectos teóricos de grupos del modelo estándar.

artículos periodísticos

• ES Abers; BW Lee (1973). "Teorías de calibre". Informes de Física . 9 (1): 1–141. Código bibliográfico : 1973PhR.....9....1A. doi :10.1016/0370-1573(73)90027-6.
• M. Baak; et al. (2012). "El ajuste electrodébil del modelo estándar tras el descubrimiento de un nuevo bosón en el LHC". La revista física europea C. 72 (11): 2205. arXiv : 1209.2716 . Código Bib : 2012EPJC...72.2205B. doi :10.1140/epjc/s10052-012-2205-9. S2CID  15052448.
• Y. Hayato; et al. (1999). "Búsqueda de desintegración de protones a través de p → νK ⁺ en un detector Cherenkov de agua grande". Cartas de revisión física . 83 (8): 1529-1533. arXiv : hep-ex/9904020 . Código bibliográfico : 1999PhRvL..83.1529H. doi : 10.1103/PhysRevLett.83.1529. S2CID  118326409.
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enlaces externos

• Podcast omega tau "El modelo estándar explicado en detalle por John Ellis del CERN".
• El Modelo Estándar en el sitio web del CERN explica cómo interactúan los componentes básicos de la materia, gobernados por cuatro fuerzas fundamentales.
• Física de partículas: modelo estándar, conferencias de Leonard Susskind (2010).