Modelo estandar

Teoría de la física de partículas

Este artículo trata sobre una descripción general no matemática del modelo estándar de física de partículas. Para obtener una descripción matemática, consulte Formulación matemática del modelo estándar . Para otros usos, consulte Modelo estándar (desambiguación) .

Modelo estándar de física de partículas
Partículas elementales del modelo estándar
Fondo Física de partículas Modelo estándar Teoría cuántica de campos Teoría del calibre Mecanismo de Higgs de ruptura de simetría espontánea
Constituyentes Interacción electrodinámica Cromodinámica cuántica Matriz CKM Matemáticas del modelo estándar
Limitaciones Problema de PC fuerte Problema de jerarquía Oscilaciones de neutrinos Física más allá del modelo estándar
Científicos Rutherford  · Thomson  · Chadwick  · Bose  · Sudarshan  · Davis Jr.  · Anderson  · Fermi  · Dirac  · Feynman  · Rubbia  · Gell-Mann  · Kendall  · Taylor  · Friedman  · Powell  · PW Anderson  · Glashow  · Iliopoulos  · Maiani  · Meer  · Cowan  · Nambu  · Chambelán  · Cabibbo  · Schwartz  · Perl  · Majorana  · Weinberg  · Lee  · Ward  · Salam  · Kobayashi  · Maskawa  · Yang  · Yukawa  · 't Hooft  · Veltman  · Gross  · Politzer  · Wilczek  · Cronin  · Fitch  · Vleck  · Higgs  · Englert  · Brout  · Hagen  · Guralnik  · Pienso  · Santiago Antúnez de Mayolo  · César Lattes
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El Modelo Estándar de la física de partículas es la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas (las interacciones electromagnética , débil y fuerte , mientras se omite la gravedad ) en el universo , además de clasificar todas las partículas elementales conocidas . Se desarrolló en etapas a lo largo de la segunda mitad del siglo XX, a través del 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 quarks.. Desde entonces, la confirmación del quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012) han dado más credibilidad al modelo estándar. Además, el modelo estándar ha predicho varias propiedades de las corrientes neutrales débiles y los bosones W y Z con gran precisión.

Aunque se cree que el Modelo Estándar es teóricamente autoconsistente ^[2] y ha demostrado grandes éxitos al proporcionar predicciones experimentales , deja algunos fenómenos sin explicar y no llega a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales . No explica completamente la asimetría bariónica , no incorpora la teoría completa de la gravitación ^[3] como la describe la relatividad general , ni explica la expansión acelerada del Universo como posiblemente la describe la energía oscura . El modelo no contiene materia oscura viable.partícula que posee 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 por físicos de partículas teóricos y experimentales por igual. Para los teóricos, el Modelo Estándar es un paradigma de una teoría cuántica de campos , que exhibe una amplia gama de fenómenos que incluyen ruptura espontánea de simetría , anomalías y comportamiento no perturbativo. Se utiliza como base para la construcción de modelos más exóticos que incorporan partículas hipotéticas , dimensiones adicionales y simetrías elaboradas (como la supersimetría ) en un intento de explicar los resultados experimentales en desacuerdo con el modelo estándar, como la existencia de materia oscura y neutrinos. oscilaciones.

Antecedentes históricos

Ver también: Historia de la teoría cuántica de campos , Historia de la física subatómica , Julian Schwinger y John Clive Ward

En 1954, Chen Ning Yang y Robert Mills ampliaron el concepto de teoría gauge para grupos abelianos , por ejemplo , electrodinámica cuántica , a grupos no belianos para proporcionar una explicación de interacciones fuertes . ^[4] En 1957, Chien-Shiung Wu demostró que la paridad no se conservaba en la interacción débil . ^[5] En 1961, Sheldon Glashow combinó las interacciones electromagnética y débil . ^[6] En 1967 Steven Weinberg ^[7]y Abdus Salam ^[8] incorporó el mecanismo de Higgs ^{[9] [10] [11]} 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 en el Modelo Estándar. Esto incluye las masas de los bosones W y Z , y las masas de los fermiones , es decir, los quarks y leptones .

Después de que las corrientes débiles neutrales causadas por el intercambio de bosones Z fueran descubiertas en el CERN en 1973, ^{[12] [13] [14] [15]} 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 se descubrieron experimentalmente en 1983; y se encontró que la razón de sus masas era la que predijo el Modelo Estándar. ^[dieciséis]

La teoría de la interacción fuerte (es decir , cromodinámica cuántica , QCD), a la que muchos contribuyeron, adquirió su forma moderna en 1973-74 cuando se propuso la libertad asintótica ^{[17] [18]} (un desarrollo que convirtió a la QCD en el foco principal de la investigación teórica ) ^[19] y los experimentos confirmaron que los hadrones estaban compuestos de quarks con carga fraccionada. ^{[20] [21]}

El término "Modelo Estándar" fue acuñado por primera vez por Abraham Pais y Sam Treiman en 1975, ^[22] con referencia a la teoría electrodébil con cuatro quarks. ^[23]

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:

Partículas elementales

Fermiones elementalesSemi-entero giroObedezca las estadísticas de Fermi – Dirac

Bosones elementalesentero giroObedezca las estadísticas de Bose-Einstein

Quarks y antiquarksSpin = 1 / 2Tener carga de colorParticipa en interacciones sólidas

Leptones y antileptonesSpin = 1 / 2Sin cargo de colorInteracciones electrodébiles

Bosones de calibreGirar = 1Portadores de fuerza

Bosones escalaresGirar = 0

Tres generaciones Arriba (u), Abajo (d) Encanto (c), Extraño (s) Arriba (t), Abajo (b)

Tres generaciones Electrón ( mi- ),  [†] Neutrino electrónico ( ν mi) Muon ( μ- ), Neutrino muón ( ν μ) Tau ( τ- ), Neutrino Tau ( ν τ)

Cuatro tipos Fotón ( γ ; interacción electromagnética ) Bosones W y Z ( W+ , W- , Z ; interacción débil ) Ocho tipos de gluones ( gramo ; fuerte interacción )

Bosón de Higgs único ( H0 )

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

Fermiones

El Modelo Estándar incluye 12 partículas elementales de espín 1 ⁄ 2 , conocidas como fermiones . Según el teorema de la estadística de espín , los fermiones respetan el principio de exclusión de Pauli . Cada fermión tiene una antipartícula correspondiente .

Los fermiones se clasifican según cómo interactúan (o, de manera equivalente, según las cargas que transportan). Hay seis quarks ( arriba , abajo , encanto , extraño , superior , inferior ) y seis leptones ( electrón , neutrino electrónico , muón , neutrino muón , tau , neutrino tau ). Cada clase se divide en pares de partículas que exhiben un comportamiento físico similar llamado generación (ver la tabla).

La propiedad definitoria de los quarks es que llevan carga de color y, por lo tanto, interactúan a través de la interacción fuerte . El fenómeno del confinamiento de color da como resultado que los quarks se unan muy fuertemente entre sí, formando partículas compuestas de color neutro llamadas hadrones que contienen un quark y un antiquark ( mesones ) o tres quarks ( bariones ). Los bariones más ligeros son el protón y el neutrón . Los quarks también llevan carga eléctrica e isospín débil . Por lo tanto, interactúan con otros fermiones a través del electromagnetismo y la interacción débil.. Los seis fermiones restantes no llevan carga de color y se denominan leptones. Los tres neutrinos tampoco llevan carga eléctrica, por lo que su movimiento está directamente influenciado solo por la fuerza nuclear débil , lo que los hace notoriamente difíciles de detectar. Por el contrario, en virtud de llevar una carga eléctrica, el electrón, el muón y la tau interactúan electromagnéticamente.

Cada miembro de una generación tiene una masa mayor que la partícula correspondiente de cualquier generación anterior. Las partículas cargadas de primera generación no se descomponen, por lo que toda la materia ordinaria ( bariónica ) está hecha de tales partículas. Específicamente, todos los átomos consisten en electrones que orbitan alrededor de núcleos atómicos , en última instancia constituidos por quarks up y down. Por otro lado, las partículas cargadas de segunda y tercera generación se desintegran con vidas medias muy cortas y solo se observan en entornos de muy alta energía. Los neutrinos de todas las generaciones tampoco se descomponen y impregnan el universo, pero rara vez interactúan con la materia bariónica.

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 partículas. 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 la conjugación de cada vértice enumerado (invirtiendo la dirección de las flechas).^[24]

En el modelo estándar, los bosones gauge se definen como portadores de fuerza que median las interacciones fundamentales fuertes, débiles y electromagnéticas .

Las interacciones en física son las formas en que las partículas influyen en otras partículas. A nivel macroscópico , el electromagnetismo permite que las partículas interactúen entre sí a través de campos eléctricos y magnéticos , y la gravitación permite que las partículas con masa se atraigan entre sí de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein . El Modelo Estándar explica tales fuerzas como resultado de partículas de materia que intercambian otras partículas , generalmente conocidas como partículas mediadoras de fuerza . Cuando se intercambia una partícula mediadora de fuerza, el efecto a nivel macroscópico es equivalente a una fuerza que influye en ambas y, por lo tanto, se dice que la partícula ha mediado(es decir, ha sido el agente de) esa fuerza. ^[25] 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 están en razonable acuerdo 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 cromodinámica cuántica de baja energía , estados ligados y solitones .

Todos los bosones gauge del modelo estándar tienen espín (al igual que las partículas de materia). El valor del giro es 1, lo que los convierte en bosones . Como resultado, no siguen el principio de exclusión de Pauli que restringe los fermiones : por lo tanto, los bosones (por ejemplo, fotones) no tienen un límite teórico en su densidad espacial (número por volumen) . Los tipos de bosones gauge se describen a continuación.

• Los fotones median la fuerza electromagnética entre partículas cargadas eléctricamente. El fotón no tiene masa y está bien descrito por la teoría de la electrodinámica cuántica .
• los W+, W-, y ZLos bosones gauge median las interacciones débiles entre partículas de diferentes sabores (todos quarks y leptones). Son masivas, con el
  Z
  siendo más masivo que el
  W^±
  . Las interacciones débiles que involucran al
  W^±
  actúan solo sobre partículas zurdas y antipartículas diestras . los
  W^±
  lleva una carga eléctrica de +1 y -1 y se acopla a la interacción electromagnética. El eléctricamente neutro
  Z
  El bosón interactúa tanto con las partículas de la mano izquierda como con las antipartículas de la mano derecha. Estos tres bosones gauge junto con los fotones se agrupan juntos, como mediadores colectivos de la interacción electrodébil .
• Los ocho gluones median las interacciones fuertes entre partículas cargadas de color (los quarks). Los gluones no tienen masa. La multiplicidad de ocho gluones está marcada por una combinación de carga de color y anticolor (por ejemplo, rojo-antverde). ^{[nota 1]} Debido a que los gluones tienen una carga de color eficaz, también pueden interactuar entre sí. 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 los diagramas a la derecha de esta sección.

bosón de Higgs

Artículo principal: bosón de Higgs

La partícula de Higgs es una partícula elemental escalar masiva teorizada por Peter Higgs en 1964, cuando mostró 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 en el modelo estándar. ^{[9] [10] [11] [26]} No tiene espín intrínseco , por lo que se clasifica como bosón (como los bosones gauge, que tienen espín entero ).

El bosón de Higgs juega 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 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 (electrones, muones y tau) y quarks. Como el bosón de Higgs es masivo, debe interactuar consigo mismo.

Debido a que el bosón de Higgs es una partícula muy masiva y también se desintegra casi inmediatamente cuando se crea, solo 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) en el CERN comenzaron a principios de 2010 y se realizaron en Fermilab 's Tevatron hasta su cierre a finales de 2011. La coherencia matemática del Modelo Estándar requiere que cualquier mecanismo capaz de generar las masas de partículas elementales debe hacerse visible ^{[ aclaración necesaria ]} a energías superiores1,4  TeV ; ^[27] por lo tanto, el LHC (diseñado para colisionar dosHaces de protones de 7 TeV ) se construyó para responder a la pregunta de si realmente existe el bosón de Higgs. ^[28]

El 4 de julio de 2012, dos de los experimentos en el 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 × 10 ⁻²⁵  kg ), que es "consistente con el bosón de Higgs". ^{[29] [30] [31] [32] [33] [34]} El 13 de marzo de 2013, se confirmó que era el bosón de Higgs buscado. ^{[35] [36]}

Aspectos teóricos

Artículo principal: Formulación matemática del modelo estándar

Construcción del modelo estándar lagrangiano

Parámetros del modelo estándar
#	Símbolo	Descripción	Esquema de renormalización (punto)	Valor
1	m electrónico	Masa de electrones		0,511 MeV
2	m μ	Masa de muones		105,7 MeV
3	m τ	Masa tau		1,78 GeV
4	m u	Masa de quark arriba	μ MS = 2 GeV	1,9 MeV
5	m d	Masa de quark abajo	μ MS = 2 GeV	4,4 MeV
6	m s	Extraña masa de quark	μ MS = 2 GeV	87 MeV
7	m c	Masa de quark Charm	μ MS = m c	1,32 GeV
8	m b	Masa de quark inferior	μ MS = m b	4,24 GeV
9	m t	Masa de quark superior	En esquema de caparazón	173,5 GeV
10	θ 12	Ángulo de mezcla CKM 12		13,1 °
11	θ 23	Ángulo de mezcla CKM 23		2,4 °
12	θ 13	Ángulo de mezcla CKM 13		0,2 °
13	δ	Fase de infracción de CKM CP		0,995
14	g 1 o g '	Acoplamiento de manómetro U (1)	μ MS = m Z	0.357
15	g 2 o g	Acoplamiento de manómetro SU (2)	μ MS = m Z	0,652
dieciséis	g 3 o g s	Acoplamiento de manómetro SU (3)	μ MS = m Z	1.221
17	θ QCD	Ángulo de vacío QCD		~ 0
18	v	Valor esperado de vacío de Higgs		246 GeV
19	m H	Masa de Higgs		125,09 ± 0,24 GeV

Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el modelo estándar, en el que un lagrangiano controla la dinámica y la cinemática de la teoría. Cada tipo de partícula se describe en términos de un campo dinámico que impregna el espacio-tiempo . La construcción del Modelo Estándar procede siguiendo el método moderno de construir la mayoría de las teorías de campo: primero postulando 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 simetría traslacional familiar , la simetría rotacional y la invariancia del marco de referencia inercial que son fundamentales para 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 gauge dan lugar a las tres interacciones fundamentales. Los campos caen en diferentes representaciones.de los diversos 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

Artículo principal: Cromodinámica cuántica

El sector de la cromodinámica cuántica (QCD) define las interacciones entre quarks y gluones, que es una teoría gauge de Yang-Mills con simetría SU (3), generada por T ^a . 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

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{QCD}}=\sum _{\psi }{\overline {\psi }}_{i}\left(i\gamma ^{\mu }(\partial _{\mu }\delta _{ij}-ig_{s}G_{\mu }^{a}T_{ij}^{a})\right)\psi _{j}-{\frac {1}{4}}G_{\mu \nu }^{a}G_{a}^{\mu \nu },}$

dónde

ψ
_Ies el espinor de Dirac del campo de quarks, donde i = {r, g, b} representa el color,

γ ^μ son las matrices de Dirac ,

GRAMO^una
_μes el campo de calibre de 8 componentes ( ) SU (3),${\displaystyle a=1,2,\dots ,8}$

T^a
_ijson las matrices de Gell-Mann 3 × 3 , generadoras del grupo de color SU (3),

GRAMO^un
_μνrepresenta el tensor de intensidad de campo de gluones ,

g _s es la constante de acoplamiento fuerte.

Sector electrodébil

Artículo principal: Interacción electrodébil

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

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{EW}}=\sum _{\psi }{\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }\left(i\partial _{\mu }-g'{\tfrac {1}{2}}Y_{\text{W}}B_{\mu }-g{\tfrac {1}{2}}{\vec {\tau }}_{\text{L}}{\vec {W}}_{\mu }\right)\psi -{\tfrac {1}{4}}W_{a}^{\mu \nu }W_{\mu \nu }^{a}-{\tfrac {1}{4}}B^{\mu \nu }B_{\mu \nu },}$

dónde

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 solo actúan sobrefermiones quirales izquierdos ,

g' y g son la U (1) y SU (2) Las constantes de acoplamiento, 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 en el 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 masas de bosones gauge, y las masas de fermiones son el resultado de interacciones de tipo Yukawa con el campo de Higgs.${\displaystyle m{\overline {\psi }}\psi }$

Sector de Higgs

Artículo principal: mecanismo de Higgs

En el modelo estándar, el campo de Higgs es un escalar complejo del grupo SU (2) _L :

${\displaystyle \varphi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\begin{array}{c}\varphi ^{+}\\\varphi ^{0}\end{array}}\right),}$

donde los superíndices + y 0 indican la carga eléctrica ( Q ) de los componentes. La hipercarga débil ( Y _W ) de ambos componentes es 1.

Antes de romper la simetría, el Lagrangiano de Higgs es

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{H}}=\varphi ^{\dagger }\left(\partial ^{\mu }-{\frac {i}{2}}\left(g'Y_{\text{W}}B^{\mu }+g{\vec {\tau }}{\vec {W}}^{\mu }\right)\right)\left(\partial _{\mu }+{\frac {i}{2}}\left(g'Y_{\text{W}}B_{\mu }+g{\vec {\tau }}{\vec {W}}_{\mu }\right)\right)\varphi -{\frac {\lambda ^{2}}{4}}\left(\varphi ^{\dagger }\varphi -v^{2}\right)^{2},}$

que hasta un término de divergencia, (es decir, después de la integración parcial) también se puede escribir como

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{H}}=\left|\left(\partial _{\mu }+{\frac {i}{2}}\left(g'Y_{\text{W}}B_{\mu }+g{\vec {\tau }}{\vec {W}}_{\mu }\right)\right)\varphi \right|^{2}-{\frac {\lambda ^{2}}{4}}\left(\varphi ^{\dagger }\varphi -v^{2}\right)^{2}.}$

La fuerza de autoacoplamiento de Higgs λ es aproximadamente 1 ⁄ 8 . Esto no se incluye en la tabla anterior porque se puede derivar de la masa (después de romper la simetría) y el valor esperado de vacío.

Sector Yukawa

Los términos de interacción de Yukawa son

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{Yukawa}}={\overline {U}}_{\rm {L}}G_{\rm {u}}U_{\rm {R}}\varphi ^{0}-{\overline {D}}_{\rm {L}}G_{\rm {u}}U_{\rm {R}}\varphi ^{-}+{\overline {U}}_{\rm {L}}G_{\rm {d}}D_{\rm {R}}\varphi ^{+}+{\overline {D}}_{\rm {L}}G_{\rm {d}}D_{\rm {R}}\varphi ^{0}+\mathrm {h.c.} ,}$

donde G _{u, d} son matrices de 3 × 3 de acoplamientos Yukawa, con el término ij dando el acoplamiento de las generaciones i y j , y hc significa conjugado hermitiano de términos precedentes.

Interacciones fundamentales

Artículo principal: Interacción fundamental

El Modelo Estándar describe tres de las cuatro interacciones fundamentales en la naturaleza; sólo la gravedad permanece sin explicación. En el Modelo Estándar, dicha interacción se describe como un intercambio de bosones entre los objetos afectados, como un fotón para la fuerza electromagnética y un gluón para la interacción fuerte. Esas partículas se denominan portadoras de fuerza o partículas mensajeras . ^[37]

Las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza ^[38]

Propiedad / Interacción	Gravitación	Electrodébil		Fuerte
		Débil	Electromagnético	Fundamental	Residual
Partículas mediadoras	Aún no observado ( hipótesis de Graviton )	W + , W - y Z 0	γ (fotón)	Gluones	π , ρ y omega mesones
Partículas afectadas	Todas las partículas	Fermiones zurdos	Cargado eléctricamente	Quarks, gluones	Hadrones
Actúa sobre	Masa, energía	Sabor	Carga eléctrica	Carga de color
Estados unidos formados	Planetas, estrellas, galaxias, grupos de galaxias	n / A	Átomos, moléculas	Hadrones	Núcleos atómicos
Fuerza a escala de quarks (relativa al electromagnetismo)	10 −41 (predicho)	10 −4	1	60	No se aplica a los quarks
Fuerza a escala de protones / neutrones (relativa al electromagnetismo)	10 −36 (predicho)	10 −7	1	No se aplica a los hadrones	20

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Fuerzas modelo estándar

Gravedad

Ver también: Gravedad cuántica y gravedad

A pesar de ser quizás la interacción fundamental más familiar, el modelo estándar no describe la gravedad 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 inconmensurable. El gravitón se postula como partícula mediadora.

Electromagnetismo

Ver también: Electromagnetismo y electrodinámica cuántica

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

Fuerza nuclear débil

Ver también: interacción débil e interacción electrodébil

La interacción débil es responsable de varias 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 (conocido como sabor) y la carga. Las interacciones mediadas por bosones W son interacciones de corriente cargadas . Los bosones Z son neutrales y median interacciones de corriente neutrales, que no cambian el sabor de las partículas. Por lo tanto, los bosones Z son similares al fotón, aparte de que son masivos e interactúan con el neutrino. La interacción débil es también la única interacción que viola la paridad y el PC.. La violación de la paridad es máxima para las interacciones de corriente cargadas, 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 débil y electromagnética se unen en una única interacción electrodébil a altas energías.

Fuerte fuerza nuclear

Ver también: interacción fuerte , fuerza nuclear y cromodinámica cuántica

La fuerza nuclear fuerte es responsable de la unión hadrónica y nuclear . Está mediado por gluones, que se acoplan a la carga de color. Dado que los propios gluones tienen carga de color, la fuerza fuerte exhibe confinamiento y libertad asintótica . El confinamiento significa que solo las partículas de color neutro pueden existir de forma aislada, por lo tanto, los quarks solo pueden existir en hadrones y nunca de forma aislada, a bajas energías. La libertad asintótica significa que la fuerza fuerte se debilita 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 ligados en hadrones por la interacción fuerte fundamental, que está mediada por gluones, los nucleones están ligados 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 "filtra" algún residuo, que aparece como el intercambio de mesones virtuales, que provoca la fuerza de atracción entre los 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 y los quarks top y charm y predijo muchas de sus propiedades antes de que se observaran estas partículas. Las predicciones se confirmaron experimentalmente con buena precisión. ^[39]

El Modelo Estándar también predijo la existencia del bosón de Higgs , encontrado en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones , como su última partícula. ^[40]

Desafíos

Ver también: Física más allá del modelo estándar

Problema sin resolver en física :

• ¿Qué da lugar al modelo estándar de física de partículas?
• ¿Por qué las masas de 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? ¿Consiste siquiera en una o más partículas nuevas?

(más problemas sin resolver en física)

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

Los experimentos indican que los neutrinos tienen masa , lo que no permitía el Modelo Estándar clásico. ^[41] Para adaptarse a este hallazgo, el Modelo Estándar clásico puede modificarse para incluir la masa de neutrinos.

Si uno insiste en usar solo partículas del Modelo Estándar, esto se puede lograr agregando una interacción no renormalizable de leptones con el bosón de Higgs. ^[42] En un nivel fundamental, tal interacción surge en el mecanismo de balancín donde se agregan a la teoría neutrinos de la mano derecha pesados. Esto es natural en la extensión simétrica izquierda-derecha del Modelo Estándar ^{[43] [44]} y en ciertas grandes teorías unificadas . ^[45] Siempre que aparezca nueva física por debajo o alrededor de 10 ¹⁴ GeV , las masas de neutrinos pueden ser del orden correcto de magnitud.

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 explica 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 lo explicaría hasta cierto punto. Aunque aborda interacciones fuertes y electrodébiles, el Modelo Estándar no explica de manera consistente 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 de la gravedad del campo cuántico generalmente se rompen antes de alcanzar la escala de Planck . Como consecuencia, no tenemos una teoría confiable para el universo primitivo.
• Algunos físicos lo consideran ad hoc y poco elegante, requiriendo 19 constantes numéricas cuyos valores no están relacionados y son arbitrarios. ^[46] Aunque el Modelo Estándar, tal como está ahora, puede explicar por qué los neutrinos tienen masas, los detalles de la masa de neutrinos aún no están claros. Se cree que explicar la masa de neutrinos requerirá 7 u 8 constantes adicionales, que también son parámetros arbitrarios. ^[47]
• El mecanismo de Higgs da lugar al problema de la jerarquía si hay alguna física nueva (acoplada al Higgs) a escalas de alta energía. En estos casos, para que la escala débil sea mucho más pequeña que la escala de Planck , se requiere un ajuste fino severo de los parámetros; Sin embargo, existen otros escenarios que incluyen la gravedad cuántica en los que se puede evitar tal ajuste fino. ^[48] También hay problemas de trivialidad cuántica , lo que sugiere que puede que no sea posible crear una teoría de campo cuántica consistente que involucre partículas escalares elementales. ^[49]
• El modelo es inconsistente con el modelo cosmológico 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 (CDM) y sus contribuciones a la energía oscura , que son muchos órdenes de magnitud demasiado grandes. También es difícil acomodar el predominio observado de materia sobre 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 del todo propuesta ha sido ampliamente aceptada o verificada.

Ver también

• Teoría de Yang-Mills
• Interacción fundamental :
  • Electrodinámica cuántica
  • Fuerte interacción : carga de color , cromodinámica cuántica , modelo Quark
  • Interacción débil : interacción electrodébil , interacción de Fermi , hipercarga débil , isospín débil
• Teoría del calibre : Introducción a la teoría del calibre
• Generacion
• Mecanismo de Higgs : bosón de Higgs , alternativas al modelo de Higgs estándar
• Lagrangiano
• Preguntas abiertas: violación de CP , masas de neutrinos , materia de QCD , trivialidad cuántica
• Teoría cuántica de campos
• Modelo Estándar: Formulación matemática de , la física más allá del Modelo Estándar
• Momento dipolo eléctrico del electrón

Notas

1. Técnicamente, hay nueve combinaciones de colores y anticolores. Sin embargo, uno de estos es una combinación de color simétrico que se puede construir a partir de una superposición lineal, reduciendo el recuento a ocho.

Referencias

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2. De hecho, existen cuestiones matemáticas con respecto a las teorías de campo cuántico que aún se están debatiendo (ver, por ejemplo, el polo Landau ), pero las predicciones extraídas del Modelo Estándar por los métodos actuales aplicables a los experimentos actuales son todas autoconsistentes. Para un análisis más detallado, véase, por ejemplo, el capítulo 25 de R. Mann (2010). Introducción a la física de partículas y el modelo estándar . Prensa CRC . ISBN 978-1-4200-8298-2.
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Otras lecturas

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• BA Schumm (2004). Cosas profundas: la asombrosa belleza de la física de partículas . Prensa de la Universidad Johns Hopkins. ISBN 978-0-8018-7971-5.
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Libros de texto introductorios

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Libros de texto avanzados

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• 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 grupales del modelo estándar.

artículos periodísticos

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enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el modelo estándar .

Wikiquote tiene citas relacionadas con: Modelo estándar

• " El modelo estándar explicado en detalle por John Ellis del CERN " podcast omega tau.
• 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).