El modelo estándar de la física de partículas es una teoría que se ocupa del electromagnetismo , las interacciones nucleares débiles y fuertes y la clasificación de todas las partículas subatómicas conocidas. Se desarrolló durante la segunda mitad del XX ° siglo , en una iniciativa de colaboración global sobre los fundamentos de la mecánica cuántica . La formulación actual se finalizó a mediados de la década de 1970 tras la confirmación experimental de los quarks . Desde entonces, los descubrimientos del quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012) han dado aún más credibilidad al Modelo Estándar. Todas las partículas del modelo estándar ahora se han observado experimentalmente. Por su éxito en explicar una amplia variedad de resultados experimentales, el Modelo Estándar a veces se ve como una "teoría de casi todo".
Es una representación que se aplica a los objetos cuánticos e intenta explicar sus interacciones. Se construye sobre el tríptico partícula , fuerza , mediador , es decir, distingue familias de partículas por las fuerzas a las que son sensibles, ejerciendo cada fuerza mediante mediadores intercambiados por las partículas a las que están sometidas. Estos mediadores se conocen como bosones , mientras que las partículas que componen la materia se denominan fermiones (quarks y leptones).
El modelo estándar tiene, en 2016, diecinueve parámetros libres para describir las masas de los tres leptones , los seis quarks, el bosón de Higgs y ocho constantes para describir los diferentes acoplamientos entre partículas. El valor de cada uno de estos parámetros no está fijado por primeros principios , debe determinarse experimentalmente.
Para los teóricos, el Modelo Estándar es un paradigma de la teoría cuántica de campos , que implementa un amplio espectro de fenómenos físicos. Se utiliza para construir nuevos modelos que incluyen partículas hipotéticas , dimensiones extra o supersimetrías .
La idea de que toda la materia está compuesta de partículas elementales se remonta al menos a la VI ° siglo antes de Cristo. AD . En el XIX ° siglo, John Dalton , a través de su trabajo en la estequiometría , llegó a la conclusión de que cada elemento de la naturaleza se compone de un solo tipo de partícula. La palabra átomo , después de la palabra griega ἄτομος , atomos ("indivisible"), se ha referido desde entonces a la partícula más pequeña de un elemento químico , pero los físicos pronto descubrieron que los átomos no son, de hecho, partículas. de partículas más pequeñas, como electrones , alrededor de su núcleo, que a su vez están formadas por protones y neutrones . Las exploraciones de principios del XX ° siglo de la física nuclear y la física cuántica culminaron con el descubrimiento de la fisión nuclear en 1939 por Lise Meitner (basados en las experiencias de Otto Hahn ) y la fusión nuclear en 1932 por Mark Oliphant ; los dos descubrimientos también llevaron al desarrollo de armas nucleares . El desarrollo de aceleradores de partículas después de la Segunda Guerra Mundial hizo posible, durante las décadas de 1950 y 1960, descubrir una amplia variedad de partículas durante experimentos de dispersión profundamente inelásticos . Entonces se trataba de un "zoológico de partículas". Este término cayó en desuso después de la formulación del Modelo Estándar durante la década de 1970 en el que la gran cantidad de partículas se explicaba como combinaciones de un número relativamente pequeño de otras partículas aún más elementales.
El descubrimiento del bosón de Higgs permitió el consenso y la actualización en 2014 de la tabla de los componentes de la materia que se había establecido en 2005 con motivo del año mundial de la física.
Hasta la fecha, la materia y la energía se comprenden mejor en términos de la cinemática y la interacción de las partículas elementales. Hasta ahora, la física había reducido las leyes que gobiernan el comportamiento y la interacción de todas las formas conocidas de materia y energía a un pequeño número de leyes y teorías fundamentales. Uno de los principales objetivos de la física es encontrar una base común que unifique todas sus teorías en una teoría del todo , en la que todas las demás leyes conocidas serían casos especiales.
Aunque el Modelo Estándar se considera una teoría autónoma y coherente, y ha tenido mucho éxito en proporcionar predicciones experimentales ( simetría CP o el problema de la jerarquía ), deja varios fenómenos sin explicar y no se puede afirmar que sea una teoría en absoluto . Por lo tanto, no proporciona una justificación teórica de la gravedad , como se describe en la relatividad general , ni explica la aceleración de la expansión del Universo (que podría explicarse por la energía oscura ). Este modelo tampoco contiene partículas que puedan formar materia oscura , y posee todas las propiedades requeridas por las observaciones cosmológicas . Tampoco describe correctamente la oscilación de los neutrinos y su masa.
El Modelo Estándar incluye miembros de varias clases de partículas elementales ( leptones , quarks , bosones gauge y el bosón de Higgs ), que a su vez pueden diferenciarse por otras características, como su carga de color .
El Modelo Estándar incluye doce partículas elementales de espín ½ ( espín medio entero), que por lo tanto son fermiones . Según el teorema estadístico de espín , los fermiones respetan el principio de exclusión de Pauli . A cada fermión le corresponde una antipartícula .
Los fermiones obedecen a la estadística de Fermi-Dirac y no pueden coexistir entre sí en el mismo estado cuántico (en el mismo orbital atómico, por ejemplo).
Los fermiones elementales se dividen en leptones y quarks , siguiendo tres generaciones que se diferencian entre sí solo por la masa, que es mayor con cada generación. Solo las partículas de primera generación forman materia ordinaria. Esto se debe a que las partículas de segunda y tercera generación son inestables y se desintegran rápidamente en partículas más ligeras de primera generación.
Aunque son elementales, los quarks no pueden existir de forma aislada. Están agrupados en hadrones que vienen en forma de pares de quark-antiquark ( mesones ) o tríos de quark ( bariones ). Por ejemplo, los protones están formados por dos quarks up y un quark down , mientras que los neutrones están formados por un quark up y dos quarks down .
Las tablas siguientes agrupan los diferentes fermiones por generación. Para no sobrecargar esta tabla, las antipartículas no están representadas allí. La carga eléctrica se indica allí en cargas elementales .
Primera generaciónPartícula | Clasificación | Carga eléctrica | Carga fuerte (carga de color) | Masa | Girar |
---|---|---|---|---|---|
Electrón | mi | -1 | 511 keV / c 2 | 1/2 | |
Neutrino electrónico | ν e | 0 | <225 eV / c 2 | 1/2 | |
Quark Up | tu | 2/3 | rojo verde azul | ~ 3 MeV / c 2 | 1/2 |
Quark abajo | D | -1/3 | rojo verde azul | ~ 6 MeV / c 2 | 1/2 |
Partícula | Clasificación | Carga eléctrica | Carga pesada | Masa | Girar |
---|---|---|---|---|---|
Muon | μ | -1 | 106 MeV / c 2 | 1/2 | |
Neutrino muónico | ν μ | 0 | <190 keV / c 2 | 1/2 | |
Encanto de quark | vs | 2/3 | rojo verde azul | ~ 1,3 GeV / c 2 | 1/2 |
Quark extraño | s | -1/3 | rojo verde azul | ~ 100 MeV / c 2 | 1/2 |
Partícula | Clasificación | Carga eléctrica | Carga pesada | Masa | Girar |
---|---|---|---|---|---|
Tau o Tauon | τ | -1 | 1,78 GeV / c 2 | 1/2 | |
Neutrino tauico | ν τ | 0 | <18,2 MeV / c 2 | 1/2 | |
Quark Top | t | 2/3 | rojo verde azul | 171 GeV / c 2 | 1/2 |
Fondo de Quark | B | -1/3 | rojo verde azul | ~ 4,2 GeV / c 2 | 1/2 |
En el modelo estándar, los bosones gauge son vectores o soportes de fuerza y juegan un papel de mediador entre las fuerzas fundamentales : débil, fuerte y electromagnética.
Los bosones gauge obedecen al estadístico de Bose-Einstein ; tienen giro completo y pueden coexistir entre sí en el mismo estado cuántico (miles de millones de fotones idénticos cohabitando en un rayo láser).
El bosón de Higgs no es un mediador de fuerza y, por lo tanto, no pertenece a la clase de bosones gauge.
Estas partículas de campo pueden ser reales o virtuales . En este último caso, tienen una duración de existencia extremadamente corta y son observados indirectamente por su acción, que consiste esencialmente en transmitir las fuerzas fundamentales. Esta es también la razón por la que estas partículas virtuales también se denominan "partículas mensajeras" o "mediadores".
FotónLos fotones γ (de espín 1 y de masa y carga cero) son los mediadores de la fuerza electromagnética entre partículas cargadas eléctricamente.
Bosones débilesLos bosones gauge W + , W - y Z 0 (spin 1 y alta masa) median la interacción débil entre partículas de diferentes sabores (quarks y leptones).
GluonesLos ocho gluones (de espín 1 y masa cero) son los mediadores de la fuerte interacción entre partículas con carga de color (quarks).
Se supone que el bosón de Higgs (de espín 0, que es un campo escalar ) confiere su masa a las otras partículas mediante un mecanismo de ruptura de simetría espontánea llamado en este contexto mecanismo de Higgs . El CERN anunció4 de julio de 2012con una confianza de 5 sigma (99,99997%) de haber descubierto gracias al LHC una partícula con una masa de 125,3 GeV⋅c −2 ± 0,6. Esta partícula podría ser el bosón de Higgs, pero se necesitan más estudios para poder decirlo con certeza.
Tipos | Generaciones | Antipartícula | Colores | Total | |
---|---|---|---|---|---|
Quarks | 2 | 3 | Par | 3 | 36 |
Leptones | Par | Alguna | 12 | ||
Gluones | 1 | 1 | Sí misma | 8 | 8 |
Fotón | Sí misma | Alguna | 1 | ||
Boson Z | Sí misma | 1 | |||
Boson W | Par | 2 | |||
Bosón de Higgs | Sí misma | 1 | |||
Partículas elementales totales (conocidas): | 61 |
Si contamos las partículas distinguiendo sus diferentes colores y sus antipartículas, contamos las 61 partículas elementales.
Desde un punto de vista matemático, las teorías de campo cuántico se formalizaron en el marco de las teorías de gauge utilizando grupos de simetría local en forma de complejos de grupos de Lie subyacentes a cada una de las simetrías de gauge modeladas. Entonces :
Los diecinueve parámetros libres del Modelo Estándar son las masas de los nueve fermiones, cuatro parámetros de la matriz CKM, las constantes de acoplamiento para las tres fuerzas, el ángulo theta de la cromodinámica cuántica y dos parámetros de Higgs.
Parámetros del modelo estándar de física de partículas | ||
---|---|---|
Símbolo | Descripción | Valor |
m electrónico | Masa de electrones | 511 keV |
m μ | Masa de muones | 105,7 MeV |
m τ | Misa de tau | 1,78 GeV |
m u | Masa del quark arriba | 1,9 MeV |
m d | Masa de quark abajo | 4,4 MeV |
m s | Masa del quark extraño | 87 MeV |
m c | Masa de quark Charm | 1,32 GeV |
m b | Masa de quark de fondo | 4,24 GeV |
m t | Masa de quark superior | 172,7 GeV |
θ 12 | Ángulo de mezcla θ 12 de la matriz CKM | 13,1 ° |
θ 23 | Ángulo de mezcla θ 23 de la matriz CKM | 2,4 ° |
θ 13 | Ángulo de mezcla θ 13 de la matriz CKM | 0,2 ° |
δ | Parámetro de violación de simetría CP en matriz CKM | 0,995 |
g 1 o g ' | Constante de acoplamiento para el grupo de manómetros U (1) (electromagnetismo) | 0.357 |
g 2 o g | Constante de acoplamiento para el grupo de indicadores SU (2) ( interacción débil ) | 0,652 |
g 3 o g s | Constante de acoplamiento para el grupo de indicadores SU (3) ( interacción fuerte ) | 1.221 |
θ QCD | Ángulo theta de la cromodinámica cuántica | ~ 0 |
v | "Valor esperado en el vacío" del campo de Higgs | 246 GeV |
m H | Masa del bosón de Higgs | ~ 125 GeV |
El Modelo Estándar no es una teoría completa de interacciones fundamentales, y varias de sus características sugieren que debe haber una "física más allá del Modelo Estándar". Sin embargo, al menos hastaMarzo 2021, ninguna medida o experiencia ha derrotado sus pronósticos.
El modelo estándar no incluye gravedad . Entre las muchas teorías que intentan unificar la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad , varias consideran la existencia del gravitón , un bosón hipotético.
Según Alain Connes , “nadie piensa que el modelo estándar es el final de la historia, especialmente por la gran cantidad de parámetros libres que contiene. " .
El modelo estándar no predice por qué hay tres generaciones de fermiones con las mismas cargas, pero en rangos de masa muy diferentes. La masa del quark u es del orden de MeV.c −2 mientras que la de t es del orden de 170 GeV .c −2 . Por otro lado, nada dice que no haya otras familias. A partir de 2008, ninguna teoría más allá del Modelo Estándar explica con precisión la existencia de estas tres familias. La unitaridad de la matriz CKM es una prueba sensible para la existencia de otra generación de fermiones.
El modelo estándar lagrangiano de gauge tiene tres simetrías internas en partículas , y . Al igual que para las familias de fermiones, nada impide la existencia de subgrupos de simetrías. Este es, además, un tema caro a las teorías de la gran unificación , que en principio permiten explicar estas simetrías incluyéndolas como subgrupos de un grupo mayor que los tres primeros. El grupo matemático podría haber sido adecuado y fue en ellos que se basó la teoría de la Gran Unificación ( GUT ). Pero esta simetría de gauge complicó el Modelo Estándar al obligar a postular 24 bosones y, sobre todo, predijo la desintegración de protones, que nunca se había observado experimentalmente.
El modelo estándar incorpora el hecho de que cada partícula corresponde a una antipartícula. Sus características físicas son casi idénticas. Una partícula y su antipartícula tienen la misma masa, pero cargas opuestas (barión y leptón).
El modelo no describe la materia oscura que constituiría gran parte del universo.
La más ligera de las hipotéticas partículas supersimétricas sería una de las candidatas a la materia oscura.
Queda por formular una teoría complementaria al Modelo Estándar que explique por qué ninguna de estas partículas ha sido detectada hasta el momento (por el LHC o por otro detector).
Los experimentos sobre el volumen de la carga eléctrica del protón dan dos cifras diferentes, y los científicos no pueden determinar si el error está en las condiciones del experimento o si la teoría en sí es incompleta.
El modelo estándar asume que las interacciones de leptones cargados, es decir, electrones, muones y tauones, varían solo debido a sus diferencias de masa. Los experimentos con electrones y muones han confirmado esta hipótesis, pero estudios recientes sobre la desintegración del mesón B que involucran al leptón tau en altas energías muestran desviaciones de la teoría. Si se confirman estos resultados, podría allanar el camino para nuevas interacciones entre partículas.
El modelo estándar predice para el muón un momento magnético cuyo factor de Landé g es cercano a 2 pero levemente superior, debido a la creación y aniquilación de pares de partículas virtuales en su vecindad, y las características de las partículas conocidas permiten calcular la diferencia g −2 (el " momento anómalo "). En 2001, la medición de g en el laboratorio nacional de Brookhaven ( Estado de Nueva York , Estados Unidos ) arrojó un resultado un poco más alto que el valor calculado, pero con un margen de error insuficientemente pequeño para garantizar la contradicción. En abril de 2021, después de dos años de adquisición de datos con diferentes equipos, Fermilab en Batavia (Illinois) anunció un resultado muy similar. La combinación de las dos medidas da una diferencia entre el valor medido y el valor teórico 4,2 veces mayor que la desviación estándar y, por lo tanto, significativamente diferente de cero. Una posible explicación es la existencia de partículas no predichas por el Modelo Estándar y, por tanto, nuevas partículas virtuales.
Un mesón "hermoso" (que comprende un quark b ) se transforma en un mesón "extraño" (que comprende un quark s ) con la emisión de un electrón y un positrón , o un muón y un antimuón . El Modelo Estándar predice que los diferentes leptones cargados, el electrón, el muón y la tau , ejercen y sienten las mismas fuerzas de interacción electrodébiles . EnMarzo 2021, Las colisiones protón-protón analizadas por el detector LHCb del Gran Colisionador de Hadrones del CERN muestran una asimetría entre electrones y muones, siendo estos últimos emitidos menos (la diferencia es de 3,1 desviaciones estándar ). Si se confirman estos resultados, sería otra desautorización del Modelo Estándar, y posiblemente una indicación de una nueva interacción fundamental entre quarks y leptones.