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A mediados del siglo XX, los físicos habían comenzado a comprender la estructura fundamental de la materia hasta tal punto que se necesitaba una teoría para encapsular las partículas del Universo, las interacciones entre ellas y las fuerzas que gobiernan esas interacciones. Esa teoría era el Modelo Estándar de Física de Partículas o simplemente el Modelo Estándar para abreviar.

Ideado por primera vez en la década de 1970, el modelo estándar se usaría para predecir una amplia variedad de fenómenos, enfrentar varios desafíos experimentales, antes de ser confirmado por el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012. Sin embargo, una teoría tan exitosa y fructífera como el modelo estándar es que no puede explicarlo todo. La gravedad aún evade el confinamiento dentro del Modelo Estándar, y los físicos han captado atisbos tentadores de la física más allá de los límites de las teorías.

Antes de que se puedan confirmar estos atisbos y se abra un nuevo capítulo en la física, hagamos un viaje a través del zoológico de partículas y descubramos las maravillas del modelo estándar.

Las partículas de materia

La materia cotidiana que nos rodea se compone de bloques de construcción llamados partículas elementales. De estos bloques de construcción, hay dos familias principales; fermiones y bosones.

De los fermiones, las dos clases principales son los leptones y los quarks. Dentro de cada uno de estos grupos hay seis partículas que se agrupan en tres parejas que los físicos llaman generaciones.

La primera generación de leptones y quarks está formada por las partículas más ligeras y estables. Estas son las partículas responsables de formar los elementos del Universo con los que estamos más familiarizados: las estrellas, los planetas, las lunas y nosotros. La segunda y tercera generación están formadas por partículas cada vez más masivas y menos estables. Cuanto mayor es la masa de estas partículas, más rápido se descomponen en sus primos más ligeros.

Comenzar con los quarks es una forma sencilla de introducir algunas de las cualidades y valores asociados con las partículas en el modelo estándar. Una cosa que notará es la interesante convención de nombres para estas cualidades. Reflejan cosas que comúnmente encontramos en el mundo macroscópico cotidiano, como el sabor, el color y el giro, pero en realidad no deben confundirse con esas cosas.

Entonces, hagamos de los quarks la primera parada en nuestro paseo por el zoológico de partículas.

quarks

Los seis quarks que componen esta familia de partículas se conocen como quarks up, down, que componen la primera generación de quarks, esta segunda forma parte de los quarks más masivos encanto y extraño. Y la tercera generación contiene las partículas más masivas, conocidas como quarks superior e inferior.

Estos se conocen generalmente como los sabores de los quarks, cada uno de los cuales tiene su propio antiquark. ¡Por supuesto, lo he preparado para que se dé cuenta de que este nombre no tiene nada que ver con el sabor de estos quarks!

De las cuatro fuerzas fundamentales, los quarks sienten el electromagnetismo, las fuerzas nucleares fuerte y débil y la gravedad, pero esta última es demasiado débil para tener un efecto sobre la masa diminuta de los quarks.

La fuerza nuclear fuerte une a los quarks en los nucleones, mientras que la fuerza nuclear débil en realidad puede hacer que los quarks cambien de sabor, algo que veremos más adelante cuando lleguemos a las partículas portadoras de fuerza.

Pero estas partículas elementales no solo vienen en sabores, también vienen en colores.

Nuevamente, esta cualidad no tiene nada que ver con las longitudes de onda de la luz, los quarks son lo suficientemente grandes como para reflejar la luz de tal manera que tienen un color convencional que determina cómo los quarks se unen para formar otras partículas más masivas.

Incnis Mrsi/CC-by-SA 3.0

Los quarks se unen para formar partículas llamadas bariones, los más comunes de los cuales son los protones y neutrones que se unen para formar los elementos y la materia con la que interactuamos a escala cotidiana.

Los protones están formados por un quark down y dos quarks up, mientras que los neutrones están formados por dos quarks down y un quark up.

Un diagrama muestra cómo los quarks suelen encajar en nuestra comprensión de las partículas diminutas. (udaix/Shutterstock)

Teniendo en cuenta estos arreglos y el hecho de que cada tipo de quark tiene su propia carga, es fácil ver por qué el protón tiene una carga positiva mientras que el neutrón es neutral. También debería ser evidente que cuando la fuerza nuclear débil hace que un quark up cambie a un quark down, también carga el nucleón del que forma parte de un protón a un neutrón.

Hay una multitud de otros arreglos exóticos de quarks como mesones que consisten en un quark y su antiquark, y tetra y pentaquarks formados por tres y cinco quarks respectivamente.

Es importante considerar cómo los quarks se unen para formar partículas porque, a pesar de ser partículas fundamentales, los quarks se encuentran deambulando por su cuenta en el zoológico de partículas. Siempre se encuentran en conglomerados.

Hay otra cualidad importante de las partículas fundamentales que debe tenerse en cuenta, y sí, al igual que el sabor y el color, tiene un nombre un poco engañoso. Estas partículas también tienen espín.

Esto no debe considerarse como la representación de una partícula en constante rotación. Es más una descripción de cómo reacciona una partícula cuando interactúa con un campo magnético.

Los quarks, como todos los fermiones, son partículas de 1/2 espín y se describen con espín hacia arriba o hacia abajo. A diferencia del giro de un objeto macroscópico, digamos una pelota de fútbol después de patearla, el giro de las partículas fundamentales no cambia.

leptones

Al igual que los quarks, los leptones son partículas con 1/2 spin. También vienen en seis sabores y en tres generaciones. Pero, a diferencia de los quarks, los leptones se encuentran libremente deambulando solos por el zoológico de partículas. El leptón más famoso es posiblemente también la partícula fundamental más famosa. La partícula de generación de electrones I que posee una carga de e.

Los leptones también se pueden subdividir en dos grupos; cargado, que incluye electrones y electrones como muones, y leptones sin carga como los neutrinos. Los leptones cargados también poseen una masa más considerable que sus primos no cargados. La razón por la que los leptones sin carga tienen masas tan pequeñas no se explica en el modelo estándar de física de partículas y hacerlo requiere una extensión del modelo.

La falta de carga y la práctica falta de masa de los neutrinos ha llevado a que se los etiquete como partículas fantasmas y significa que cientos de miles de ellos pueden atravesar cada centímetro cuadrado de tu cuerpo cada segundo sin la menor interacción con la materia que te compone.

Al igual que con los quarks, cada partícula tiene su propia antipartícula, incluido quizás el ejemplo más famoso de tal simetría, la antipartícula del electrón, el positrón. Una posible peculiaridad de esta simetría es la posibilidad de que los neutrinos sean sus propias antipartículas.

Al igual que los quarks, los leptones interactúan con la gravedad y la fuerza electromagnética, pero a diferencia de los quarks, los leptones no sienten la fuerza nuclear fuerte.

Los leptones obedecen el principio de exclusión de Pauli. Esto significa que dos partículas no pueden compartir los mismos números cuánticos. Esto es clave para la gama de elementos químicos que existen dentro del Universo, ya que obliga a los electrones a ocupar capas cada vez más energéticas alrededor de un núcleo atómico. El número de electrones de valencia en la capa exterior de un elemento determina las propiedades químicas que tendrá el elemento.

El principio de exclusión de Pauli puede ser superado. Una estrella de neutrones está protegida de convertirse en agujeros negros por este fenómeno, pero cuando supera cierta masa, ya no puede confiar en esto para protegerse contra el colapso gravitacional completo.

Los portadores de la fuerza

Hay cuatro fuerzas fundamentales en el Universo de las que actualmente somos conscientes: la fuerza fuerte, la fuerza débil, la fuerza electromagnética y la fuerza gravitacional. Todas estas fuerzas trabajan a diferentes distancias con diferentes intensidades. Por ejemplo, la gravedad es la más débil de las fuerzas, aunque en realidad existe una fuerza llamada explícitamente fuerza débil, pero que trabaja a lo largo de una distancia potencialmente infinita. Mientras tanto, la fuerza electromagnética también funciona a larga distancia, pero es mucho más poderosa que la fuerza de la gravedad.

Las fuerzas nucleares fuerte y débil actúan en distancias mucho más cortas; dominando las fuerzas de las partículas subatómicas. Como su nombre lo indica, la fuerza fuerte es la más fuerte de las cuatro fuerzas, mientras que la fuerza débil es la más débil salvo la gravedad.

Estamos seguros de que tres de las cuatro fuerzas fundamentales, el electromagnetismo, las fuerzas fuerte y débil, están comunicadas por partículas portadoras llamadas bosones. Las partículas intercambian estos bosones para comunicar estas fuerzas.

A diferencia de los leptones y los quarks, conocidos colectivamente como fermiones, los bosones tienen un espín entero completo. Esto significa que no están obligados a obedecer el principio de exclusión de Pauli.

La fuerza electromagnética es transportada por la más familiar de estas partículas, el fotón. La fuerza fuerte que une a los quarks en protones y neutrones se comunica mediante gluones, y la fuerza débil que influye en las partículas para que cambien de sabor se transmite mediante bosones W y Z.

Entonces, ¿qué pasa con la gravedad?

En pocas palabras, la fuerza con la que estamos más familiarizados y experimentamos cada momento de cada día no es parte del Modelo Estándar. Los físicos creen que esta fuerza exterior también es transmitida por un bosón al que han dado el nombre provisional de gravitón. Sin embargo, hasta el momento, no hay ningún signo experimental de este bosón hipotético. Por lo tanto, aún no se puede ver en nuestro zoológico de partículas.

La exclusión de la gravedad no es un gran problema para la física de partículas, porque el modelo trata con partículas que son tan pequeñas y el hecho de que la gravedad es tan débil que la fuerza realmente no tiene un efecto en este mundo subatómico.

Pero lo que esta omisión nos dice es que, a pesar de su importancia y del hecho de que se ha verificado experimentalmente con un estándar impresionante, y ahora puede predecir el resultado de una amplia gama de experimentos, el modelo estándar no es de ninguna manera una descripción completa. del mundo físico.

Eso significa que necesitamos extensiones a este modelo para obtener una descripción más precisa. El problema es que nadie puede ponerse de acuerdo sobre cómo deberían verse esas extensiones.

Más allá del modelo estándar

La fuerza de la gravedad no es el único elemento del Universo que los físicos no pueden incluir en el Modelo Estándar en este momento. A pesar de ser una excelente descripción de las partículas subatómicas, la teoría no puede dar cuenta de la materia oscura. Dado que esta forma misteriosa de materia que no está formada por bariones como los protones y los neutrones, representa alrededor del 85 % de la masa del Universo conocido, no se trata de un déficit insignificante.

Asimismo, el modelo no puede explicar por qué la materia domina el Universo en lugar de la antimateria. Procesos por los que nacen partículas que producen materia y antimateria en cantidades iguales. Si el Universo hubiera comenzado con estos equilibrios, probablemente se habrían encontrado y aniquilado entre sí antes de que la estructura a gran escala tuviera la oportunidad de formarse. Eso significa que debe haber alguna razón más allá del Modelo Estándar por la cual el Universo inicialmente favoreció la materia y permitió un desequilibrio.

Se suponía que la detección del bosón de Higgs por el detector CMS en el LHC completaría el modelo estándar, pero la partícula no es exactamente lo que predijo la teoría (CERN)

Otro problema potencial con el modelo estándar podría ser el resultado de la partícula que se anunció como marcando su finalización: el bosón de Higgs.

Se cree que esta partícula emerge del campo de Higgs y dota de masa a la mayoría de las partículas. Pero, el Modelo Estándar no es la única teoría que postula la existencia del bosón de Higgs. La partícula de Higgs sugerida por esta teoría es la versión más simple. La partícula que fue medida por el detector CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ciertamente se ajusta a la descripción dada por el Modelo Estándar, pero no es un ajuste perfecto.

Eso significa que aunque creamos más bosones de Higgs en el LHC y seguimos aprendiendo más sobre la partícula, sigue existiendo la posibilidad de descubrir que se ajusta mejor a otra teoría.

Una de las extensiones mejor soportadas del Modelo Estándar es Supersymmetry (SUSY). Esto plantea la hipótesis de una conexión entre fermiones y bosones y sugiere que todas las partículas tienen una supercompañera o partícula con la misma masa y números cuánticos, pero un espín que difiere en 1/2.

Eso significa que cada 1/2 leptón es un sleptón compañero con un espinor entero completo más simplemente un bosón. Entonces, para el electrón, SUSY postula el slepton con la misma masa, carga, pero con un giro de 1 en lugar de 1/2 llamado selectrón. Para los quarks, hay squarks, y así sucesivamente.

SUSY podría proporcionar un candidato a materia oscura ya que la partícula más ligera sugerida por la extensión del Modelo Estándar sería, si existiera, un timbre muerto para la materia oscura.

Desafortunadamente, a pesar de algunos tentadores indicios de física más allá del modelo estándar de física de partículas, hasta ahora los experimentos no han logrado revelar nada sustancial. Específicamente para SUSY, hasta ahora no se han detectado partículas que deberían crearse en colisiones en el LHC.

Al menos hasta que la finalización de las actualizaciones de alta luminosidad en el LHC proporcione más colisiones y, por lo tanto, una mayor posibilidad de detectar fenómenos exóticos, el modelo estándar seguirá siendo nuestra mejor descripción, aunque incompleta, del mundo subatómico.

Fuentes y lecturas adicionales

Mantón. N., Me. N., El mundo físico, Oxford University Press, [2017].

Martín. BR, Shaw. G., Física de partículas, Wiley, [1999].

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