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Modelo estándar

El Modelo Estándar de la física de partículas es la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas ( electromagnética , interacciones débiles y fuertes ,...

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El Modelo Estándar de la física de partículas es la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas ( electromagnética , interacciones 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 reforzado aún más el Modelo Estándar. Además, el Modelo Estándar ha predicho con gran precisión las diversas propiedades de las corrientes neutras débiles y los bosones W y Z.

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 por qué hay más materia que antimateria , no incorpora la teoría completa de la gravitación [ 4 ] tal como la describe la relatividad general , ni da cuenta de la expansión acelerada del universo tal como posiblemente la describe la energía oscura . El modelo no contiene ninguna partícula de materia oscura viable que posea todas las propiedades requeridas deducidas de la cosmología observacional . El Modelo Estándar sin modificaciones tampoco incorpora las oscilaciones de neutrinos y sus masas no nulas, pero se han propuesto extensiones que pueden dar cuenta de estas características.

El desarrollo del Modelo Estándar fue impulsado tanto por físicos teóricos como experimentales de partículas. El Modelo Estándar es un paradigma de la teoría cuántica de campos para los teóricos, que exhibe una amplia gama de fenómenos, incluyendo 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 1928, Paul Dirac introdujo la ecuación de Dirac , que implicaba la existencia de antimateria . [ 5 ] En 1954, Yang Chen-Ning y Robert Mills extendieron el concepto de teoría de gauge para grupos abelianos , por ejemplo, electrodinámica cuántica , a grupos no abelianos para proporcionar una explicación para las interacciones fuertes . [ 6 ] En 1957, Chien-Shiung Wu demostró que la paridad no se conservaba en la interacción débil . [ 7 ] En 1961, Sheldon Glashow combinó las interacciones electromagnética y débil. [ 8 ] En 1964, Murray Gell-Mann y George Zweig introdujeron los quarks y ese mismo año Oscar W. Greenberg introdujo implícitamente la carga de color de los quarks. [ 9 ] En 1967, Steven Weinberg [ 10 ] y Abdus Salam [ 11 ] incorporaron el mecanismo de Higgs [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] a la interacción electrodébil de Glashow , dándole su forma moderna.

En 1970, Sheldon Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani introdujeron el mecanismo GIM , prediciendo el quark encanto . [ 15 ] En 1973, Gross y Wilczek y Politzer descubrieron independientemente que las teorías de gauge no abelianas, como la teoría del color de la fuerza fuerte, tienen libertad asintótica . [ 15 ] En 1971, Gerard 't Hooft demostró que las teorías de gauge , incluyendo Yang-Mills , podían renormalizarse . [ 16 ] En 1976, Martin Perl descubrió el leptón tau en el SLAC . [ 17 ] [ 18 ] En 1977, un equipo liderado por Leon Lederman en Fermilab descubrió el quark fondo. [ 19 ]

Se cree que el mecanismo de Higgs da origen 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 débiles neutras causadas por el intercambio de bosones Z fueran descubiertas en el CERN en 1973, [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] la teoría electrodébil fue ampliamente aceptada y Glashow, Salam y Weinberg compartieron el Premio Nobel de Física de 1979 por su descubrimiento. Los bosones W ± y Z 0 fueron descubiertos experimentalmente en 1983; y se encontró que la relación de sus masas era la predicha por el Modelo Estándar. [ 24 ]

La teoría de la interacción fuerte (es decir, la cromodinámica cuántica , QCD), a la que contribuyeron muchos, adquirió su forma moderna en 1973-74 cuando se propuso la libertad asintótica [ 25 ] [ 26 ] (un desarrollo que convirtió a la QCD en el principal foco de la investigación teórica) [ 27 ] y los experimentos confirmaron que los hadrones estaban compuestos de quarks con carga fraccionaria. [ 28 ] [ 29 ]

El término «Modelo Estándar» fue introducido por Abraham Pais y Sam Treiman en 1975, [ 30 ] en referencia a la teoría electrodébil con cuatro quarks. [ 31 ] Steven Weinberg ha reclamado desde entonces la prioridad, explicando que eligió el término Modelo Estándar por modestia [ a ] ​​[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] y lo utilizó en 1973 durante una charla en Aix-en-Provence en Francia. [ 35 ]

Contenido de partículas

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

Todas las partículas se pueden resumir de la siguiente manera:

  • v
  • t
  • mi

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

Fermiones

El Modelo Estándar incluye 12 partículas elementales de espín 1/2 , conocidas como fermiones . [ 36 ] 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. [ 37 ] Cada fermión tiene una antipartícula correspondiente , que son partículas que tienen propiedades correspondientes con la excepción de cargas opuestas . [ 38 ] Los fermiones se clasifican según cómo interactúan, lo cual está determinado por las cargas que portan, en dos grupos: quarks y leptones . Dentro de cada grupo, los pares de partículas que exhiben comportamientos físicos similares se agrupan en generaciones (ver la tabla). Cada miembro de una generación tiene una masa mayor que la partícula correspondiente de generaciones anteriores. Por lo tanto, hay tres generaciones de quarks y leptones. [ 39 ] Como las partículas de primera generación no se desintegran, constituyen toda la materia ordinaria ( bariónica ). [ 40 ] Específicamente, todos los átomos constan de electrones que orbitan alrededor del núcleo atómico , constituido 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 solo pueden observarse en entornos de alta energía. Los neutrinos de todas las generaciones tampoco se desintegran y están presentes en todo el universo, pero rara vez interactúan con la materia bariónica.

Hay seis quarks: arriba , abajo , encanto , extraño , cima y fondo . [ 36 ] [ 39 ] Los quarks llevan carga de color y, por lo tanto, interactúan a través de la interacción fuerte . El fenómeno de confinamiento de color hace que los quarks estén fuertemente ligados entre sí, de modo que forman partículas compuestas neutras en color llamadas hadrones ; los quarks no pueden existir individualmente y siempre deben ligarse con otros quarks. Los hadrones pueden contener un par quark-antiquark ( mesones ) o tres quarks ( bariones ). [ 41 ] Los bariones más ligeros son los nucleones : el protón y el neutrón . Los quarks también llevan carga eléctrica e isospín débil y, por lo tanto, interactúan con otros fermiones a través del electromagnetismo y la interacción débil . Los seis leptones consisten en el electrón , el neutrino electrónico , el muón , el neutrino muónico , el tau y el neutrino tau . Los leptones no poseen carga de color y no responden a la interacción fuerte. Los leptones cargados tienen una carga eléctrica de −1 e , mientras que los tres neutrinos tienen carga eléctrica cero. Por lo tanto, el movimiento de los neutrinos solo se ve influenciado por la interacción débil y la gravedad , lo que dificulta su observación. 

bosones de gauge

Interacciones en el Modelo Estándar. Todos los diagramas de Feynman en el 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). [ 42 ]

El Modelo Estándar incluye 4 tipos de bosones de gauge de espín 1, [ 36 ] siendo los bosones partículas cuánticas con espín entero. Los bosones de gauge se definen como portadores de fuerza , ya que son responsables de mediar las interacciones fundamentales . El Modelo Estándar explica las cuatro fuerzas fundamentales como resultado de las interacciones, con fermiones intercambiando partículas portadoras de fuerza virtuales , mediando así las fuerzas. A escala macroscópica, esto se manifiesta como una fuerza . [ 43 ] Como resultado, no siguen el principio de exclusión de Pauli que restringe a los fermiones; los bosones no tienen un límite teórico en su densidad espacial . Los tipos de bosones de gauge se describen a continuación.

Electromagnetismo
Los fotones median la fuerza electromagnética , responsable de las interacciones entre partículas con carga eléctrica. El fotón no tiene masa y se describe mediante la teoría de la electrodinámica cuántica (QED).
Interacción fuerte
Los gluones median las interacciones fuertes, que unen a los quarks entre sí al influir en la carga de color , y estas interacciones se describen en la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD). No tienen masa y existen ocho tipos distintos de gluones, cada uno representado por una combinación de carga de color-anticolor (por ejemplo, rojo-antiverde). [ nota 2 ] Dado que los gluones poseen una carga de color efectiva, también pueden interactuar entre sí.
Interacción débil
El W +, W −y los bosones de gauge Z median las interacciones débiles entre todos los fermiones , siendo responsables de la radiactividad . Contienen masa, siendo el Z más masivo que el W ±. Las interacciones débiles que involucran a W ±actúan solo sobre partículas levógiras y antipartículas dextrógiras respectivamente. El W ±El bosón Z , eléctricamente neutro, posee una carga eléctrica de +1 y −1 y se acopla a la interacción electromagnética. Interactúa tanto con partículas levógiras como con antipartículas dextrógiras. Estos tres bosones de gauge, junto con los fotones, se agrupan como mediadores de la interacción electrodébil .
Gravitación
Actualmente, no se explica en el Modelo Estándar, ya que se ha propuesto la hipotética partícula mediadora gravitón , pero no se ha observado. [ 45 ] Esto se debe a la incompatibilidad entre la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein , considerada la mejor explicación para la gravedad. En la relatividad general, la gravedad se explica como la curvatura geométrica del espacio-tiempo. [ 46 ]

Los cálculos del diagrama de Feynman , que representan gráficamente la aproximación de la teoría de perturbaciones , recurren a "partículas mediadoras de fuerza" y, al aplicarse al análisis de experimentos de dispersión de alta energía, muestran una concordancia razonable con los datos. Sin embargo, la teoría de perturbaciones (y, por consiguiente, el concepto de "partícula mediadora de fuerza") falla en otras situaciones, como 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 de 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, fue propuesto como el bosón de Higgs , y es un bloque fundamental en el Modelo Estándar. [ 47 ] No tiene espín intrínseco , y por esa razón se clasifica como un bosón con espín 0. [ 36 ]

El bosón de Higgs desempeña un papel único en el Modelo Estándar, al explicar por qué las demás partículas elementales, excepto el fotón y el gluón , tienen masa. 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 cruciales para muchos aspectos de la estructura de la materia microscópica (y, por ende, macroscópica). En la teoría electrodébil , el bosón de Higgs genera las masas de los leptones (electrón, muón y tau) y los quarks. Dado que el bosón de Higgs tiene masa, debe interactuar consigo mismo.

Debido a que el bosón de Higgs es una partícula muy masiva y además se desintegra casi inmediatamente después de su creación, 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) del CERN comenzaron a principios de 2010 y se llevaron a cabo en el Tevatron de Fermilab hasta su cierre a finales de 2011. La consistencia matemática del Modelo Estándar requiere que cualquier mecanismo capaz de generar las masas de las partículas elementales debe hacerse visible a energías superiores a .1,4 TeV  ; [ 48 ] por lo tanto, el LHC (diseñado para colisionar dos Se construyó un haz de protones de 7 TeV para responder a la pregunta de si el bosón de Higgs realmente existe. [ 49 ]

El 4 de julio de 2012, dos de los experimentos del LHC ( ATLAS y CMS ) informaron independientemente que habían encontrado una nueva partícula con una masa de aproximadamente125 GeV/ c 2  (aproximadamente 133 masas de protones, del orden de10 −25  kg ), lo cual es "consistente con el bosón de Higgs". [ 50 ] [ 51 ] El 13 de marzo de 2013, se confirmó que era el bosón de Higgs buscado. [ 52 ] [ 53 ]

Aspectos teóricos

Construcción del modelo lagrangiano estándar

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 . [ 54 ] La construcción del Modelo Estándar procede siguiendo el método moderno de construcción de la mayoría de las teorías de campos: primero postulando un conjunto de simetrías del sistema y luego escribiendo el lagrangiano renormalizable más general a partir de su contenido de partículas (campos) que observa estas simetrías.

La simetría global de Poincaré se postula para todas las teorías cuánticas de campos relativistas. Consiste en la simetría traslacional , la simetría rotacional y la invariancia del marco de referencia inercial, elementos centrales de la teoría de la relatividad especial . La simetría de gauge local SU(3) × SU(2) × U(1) es una simetría interna que define esencialmente el Modelo Estándar. En términos generales, los tres factores de la simetría de gauge dan lugar a las tres interacciones fundamentales. Los campos se distribuyen en diferentes representaciones de los diversos grupos de simetría del Modelo Estándar (véase la tabla). Al escribir el lagrangiano más general, se observa que la dinámica depende de 19 parámetros, cuyos valores numéricos se establecen experimentalmente. Estos parámetros se resumen en la tabla (visible al hacer clic en "mostrar").

sector de cromodinámica cuántica

El sector de la cromodinámica cuántica (QCD) define las interacciones entre quarks y gluones, que es una teoría de gauge de Yang-Mills con simetría SU(3), generada porTa=λa/2{\displaystyle T^{a}=\lambda ^{a}/2}Dado que los leptones no interactúan con los gluones, no se ven afectados por este sector. El lagrangiano de Dirac de los quarks acoplados a los campos de gluones viene dado por LQCD=ψ¯iγμDμψ−14GRAMOμνaGRAMOaμν,{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{QCD}}={\overline {\psi }}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }\psi -{\frac {1}{4}}G_{\mu \nu }^{a}G_{a}^{\mu \nu },} dóndeψ{\displaystyle \psi }es un vector columna de tres componentes de espinores de Dirac , cada elemento del cual se refiere a un campo de quarks con una carga de color específica (es decir, rojo, azul y verde) y se implica la suma sobre el sabor (es decir, arriba, abajo, extraño, etc.).

La derivada covariante de gauge de QCD se define porDμ≡∂μ−igramos12λaGRAMOμa{\displaystyle D_{\mu }\equiv \partial _{\mu }-ig_{\text{s}}{\frac {1}{2}}\lambda ^{a}G_{\mu }^{a}}, dónde

El lagrangiano de QCD es invariante bajo transformaciones de gauge SU(3) locales; es decir, transformaciones de la formaψ→ψ′=Uψ{\displaystyle \psi \rightarrow \psi '=U\psi }, dóndeU=mi−igramosλaϕa(incógnita){\displaystyle U=e^{-ig_{\text{s}}\lambda ^{a}\phi ^{a}(x)}}es una matriz unitaria de 3 × 3 con determinante 1, lo que la convierte en un miembro del grupo SU(3), yϕa(incógnita){\displaystyle \phi ^{a}(x)}es una función arbitraria del espacio-tiempo.

sector electrodébil

El sector electrodébil es una teoría de gauge de Yang-Mills con el grupo de simetría U(1) × SU(2) L , LEW=Q¯LjiγμDμQLj+tú¯RjiγμDμtúRj+d¯RjiγμDμdRj+ℓ¯LjiγμDμℓLj+mi¯RjiγμDμmiRj−14WaμνWμνa−14BμνBμν,{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{EW}}={\overline {Q}}_{{\text{L}}j}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }Q_{{\text{L}}j}+{\overline {u}}_{{\text{R}}j}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }u_{{\text{R}}j}+{\overline {d}}_{{\text{R}}j}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }d_{{\text{R}}j}+{\overline {\ell }}_{{\text{L}}j}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }\ell _{{\text{L}}j}+{\overline {e}}_{{\text{R}}j}i\gamma ^{\mu }D_{\mu }e_{{\text{R}}j}-{\tfrac {1}{4}}W_{a}^{\mu \nu }W_{\mu \nu }^{a}-{\tfrac {1}{4}}B^{\mu \nu }B_{\mu \nu },} donde el subíndicej{\displaystyle j}suma sobre las tres generaciones de fermiones;QL,túR{\displaystyle Q_{\text{L}},u_{\text{R}}}, ydR{\displaystyle d_{\text{R}}}son los campos de quarks doblete zurdo, singlete diestro de tipo arriba y singlete diestro de tipo abajo; yℓL{\displaystyle \ell _{\text{L}}}ymiR{\displaystyle e_{\text{R}}}son los campos leptónicos doblete zurdo y singlete diestro.

La derivada covariante de gauge electrodébil se define comoDμ≡∂μ−igramo′12YWBμ−igramo12τ→LW→μ{\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 }}, 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 Lson lasmatrices de Pauli– generadores infinitesimales del grupo SU(2) – con el subíndice L para indicar que solo actúan sobrefermiones quiralesizquierdos
  • g' y g son las constantes de acoplamiento U(1) y SU(2) respectivamente,
  • Waμν{\displaystyle W^{a\mu \nu }}(a=1,2,3{\displaystyle a=1,2,3}) yBμν{\displaystyle B^{\mu \nu }}son los tensores de intensidad de campo para los campos de isospín débil e hipercarga débil.

Nótese que la adición de términos de masa de fermiones al lagrangiano electrodébil está prohibida, ya que los términos de la formametroψ¯ψ{\displaystyle m{\overline {\psi }}\psi }No se respeta la invariancia de gauge U(1) × SU(2) L. Tampoco es posible añadir términos de masa explícitos para los campos de gauge U(1) y SU(2). El mecanismo de Higgs es responsable de la generación de las masas de los bosones de gauge, y las masas de los fermiones resultan de interacciones de tipo Yukawa con el campo de Higgs.

sector de Higgs

En el Modelo Estándar, el campo de Higgs es un doblete SU(2) L de campos escalares complejos con cuatro grados de libertad: φ=(φ+φ0)=12(φ1+iφ2φ3+iφ4),{\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}},} donde los superíndices + y 0 indican la carga eléctricaQ{\displaystyle Q}de los componentes. La hipercarga débilYW{\displaystyle Y_{\text{W}}}de ambos componentes es 1. Antes de la ruptura de simetría, el lagrangiano de Higgs es LH=(Dμφ)†(Dμφ)−V(φ),{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{H}}=\left(D_{\mu }\varphi \right)^{\dagger }\left(D^{\mu }\varphi \right)-V(\varphi ),} dóndeDμ{\displaystyle D_{\mu }}es la derivada covariante de gauge electrodébil definida anteriormente yV(φ){\displaystyle V(\varphi )}es el potencial del campo de Higgs. El cuadrado de la derivada covariante conduce a interacciones de tres y cuatro puntos entre los campos de gauge electrodébiles.Wμa{\displaystyle W_{\mu }^{a}}yBμ{\displaystyle B_{\mu }}y el campo escalarφ{\displaystyle \varphi }. El potencial escalar viene dado por V(φ)=−μ2φ†φ+λ(φ†φ)2,{\displaystyle V(\varphi )=-\mu ^{2}\varphi ^{\dagger }\varphi +\lambda \left(\varphi ^{\dagger }\varphi \right)^{2},} dóndeμ2>0{\displaystyle \mu ^{2}>0}, de modo queφ{\displaystyle \varphi }adquiere un valor de expectativa de vacío distinto de cero , que genera masas para los campos de gauge electrodébiles (el mecanismo de Higgs), yλ>0{\displaystyle \lambda >0}, de modo que el potencial está acotado inferiormente. El término cuártico describe las autointeracciones del campo escalar.φ{\displaystyle \varphi }.

El mínimo del potencial es degenerado con un número infinito de soluciones de estado fundamental equivalentes , lo que ocurre cuandoφ†φ=μ22λ{\displaystyle \varphi ^{\dagger }\varphi ={\tfrac {\mu ^{2}}{2\lambda }}}. Es posible realizar una transformación de calibre enφ{\displaystyle \varphi }de tal manera que el estado fundamental se transforma en una base dondeφ1=φ2=φ4=0{\displaystyle \varphi _{1}=\varphi _{2}=\varphi _{4}=0}yφ3=μλ≡v{\displaystyle \varphi _{3}={\tfrac {\mu }{\sqrt {\lambda }}}\equiv v}Esto rompe la simetría del estado fundamental. El valor esperado deφ{\displaystyle \varphi }ahora se convierte en ⟨φ⟩=12(0v),{\displaystyle \langle \varphi \rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}0\\v\end{pmatrix}},} dóndev{\displaystyle v}tiene unidades de masa y establece la escala de la física electrodébil. Este es el único parámetro dimensional del Modelo Estándar y tiene un valor medido de ~246  GeV/ c 2 .

Después de la ruptura de simetría, las masas de W y Z vienen dadas pormetroW=12gramov{\displaystyle m_{\text{W}}={\frac {1}{2}}gv}ymetroZ=12gramo2+gramo′2v{\displaystyle m_{\text{Z}}={\frac {1}{2}}{\sqrt {g^{2}+g'^{2}}}v}, que pueden considerarse predicciones de la teoría. El fotón permanece sin masa. La masa del bosón de Higgs esmetroH=2μ2=2λv{\displaystyle m_{\text{H}}={\sqrt {2\mu ^{2}}}={\sqrt {2\lambda }}v}. Desdeμ{\displaystyle \mu }yλ{\displaystyle \lambda }Dado que son parámetros libres, la masa del bosón de Higgs no se podía predecir de antemano y tuvo que determinarse experimentalmente.

sector Yukawa

Los términos de interacción de Yukawa son: LYukawa=(Ytú)metronorte(Q¯L)metroφ~(túR)norte+(Yd)metronorte(Q¯L)metroφ(dR)norte+(Ymi)metronorte(ℓ¯L)metroφ(miR)norte+h.do.{\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.} } dóndeYtú{\displaystyle Y_{\text{u}}},Yd{\displaystyle Y_{\text{d}}}, yYmi{\displaystyle Y_{\text{e}}}son matrices de 3 × 3 de acoplamientos de Yukawa, donde el término mn da el acoplamiento de las generaciones m y n , y hc significa el conjugado hermitiano de los términos precedentes. Los camposQL{\displaystyle Q_{\text{L}}}yℓL{\displaystyle \ell _{\text{L}}}son dobletes de quarks y leptones zurdos. Asimismo,túR,dR{\displaystyle u_{\text{R}},d_{\text{R}}}ymiR{\displaystyle e_{\text{R}}}son singletes de quarks de tipo up diestros, quarks de tipo down y leptones. Finalmenteφ{\displaystyle \varphi }es el doblete de Higgs yφ~=iτ2φ∗{\displaystyle {\tilde {\varphi }}=i\tau _{2}\varphi ^{*}}es su estado conjugado de carga.

Los términos de Yukawa son invariantes bajo la simetría de gauge SU(2) L × U(1) Y del Modelo Estándar y generan masas para todos los fermiones después de la ruptura espontánea de la simetría.

Interacciones fundamentales

El Modelo Estándar describe tres de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza; solo 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. Estas partículas se denominan portadoras de fuerza o partículas mensajeras . [ 55 ]

Gravedad

Interacciones fundamentales del Modelo Estándar, incluyendo el hipotético gravitón.

A pesar de ser quizás la interacción fundamental más conocida, la gravedad no está descrita por el Modelo Estándar, debido a las contradicciones que surgen al combinar la relatividad general —la teoría moderna de la gravedad— y la mecánica cuántica. [ 57 ] [ 58 ] Sin embargo, la gravedad es tan débil a escalas microscópicas que resulta prácticamente inmensurable. Se postula que el gravitón es la partícula mediadora, pero aún no se ha demostrado su existencia. [ 59 ]

Electromagnetismo

El electromagnetismo es la única fuerza de largo alcance en el Modelo Estándar. Está mediado por fotones y se acopla a la carga eléctrica. [ 60 ] El electromagnetismo es responsable de una amplia gama de fenómenos, incluyendo la estructura de capas electrónicas atómicas , los enlaces químicos , los circuitos eléctricos y la electrónica . Las interacciones electromagnéticas en el Modelo Estándar se describen mediante la electrodinámica cuántica.

Interacción débil

La interacción débil es responsable de diversas formas de desintegración de partículas , como la desintegración beta . Es débil y de corto alcance, debido a 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 cargada . Los bosones Z son neutros y median interacciones de corriente neutra, que no cambian el sabor de la partícula. Por lo tanto, los bosones Z son similares al fotón, con la excepción de que tienen masa e interactúan con el neutrino. La interacción débil es también la única interacción que viola la paridad y CP . La violación de la paridad es máxima para las interacciones de corriente cargada, ya que el bosón W interactúa exclusivamente con fermiones levógiros y antifermiones dextrógiros.

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.

Interacción fuerte

La interacción fuerte es responsable de la unión hadrónica y nuclear . Está mediada por gluones, que se acoplan a la carga de color. Dado que los gluones poseen carga de color, la fuerza fuerte presenta confinamiento y libertad asintótica . El confinamiento implica que solo las partículas neutras en color pueden existir aisladas; por lo tanto, los quarks solo pueden existir en hadrones y nunca aislados a bajas energías. La libertad asintótica implica que la fuerza fuerte se debilita a medida que aumenta la escala de energía. La fuerza fuerte supera la repulsión electrostática de protones y quarks en núcleos y hadrones, respectivamente, en sus respectivas escalas.

Mientras que los quarks se mantienen unidos en los hadrones mediante la interacción fuerte fundamental, mediada por gluones, los nucleones se mantienen 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 mayor parte de los campos de gluones y quarks se cancelan fuera del nucleón. Sin embargo, se produce una fuga de energía residual, que se manifiesta como un intercambio de mesones virtuales, lo que da lugar a una fuerza atractiva efectiva entre los nucleones. La interacción fuerte (fundamental) se describe mediante la cromodinámica cuántica, 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 encanto , y predijo muchas de sus propiedades antes de que estas partículas fueran observadas. Las predicciones fueron confirmadas experimentalmente con buena precisión. [ 61 ]

El Modelo Estándar también predijo la existencia del bosón de Higgs , que fue encontrado en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones , la última partícula fundamental predicha por el Modelo Estándar que fue confirmada experimentalmente. [ 62 ]

Desafíos

Problema sin resolver en física
  • ¿Qué da origen al Modelo Estándar de la física de partículas?
  • ¿Por qué las masas de las partículas y las constantes de acoplamiento tienen los valores que medimos?
  • ¿Por qué existen tres generaciones de partículas?
  • ¿Por qué hay más materia que antimateria en el universo?
  • ¿Qué lugar ocupa la materia oscura en el modelo? ¿Está compuesta siquiera por 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 cuantizada mediante integrales de trayectoria) no ha sido demostrada matemáticamente. Si bien existen versiones regularizadas útiles para cálculos aproximados (por ejemplo, la teoría de gauge reticular ), se desconoce si convergen (en el sentido de los elementos de la matriz S) en el límite en que se elimina el regulador. Una cuestión clave relacionada con la consistencia es el problema de existencia de Yang-Mills y el problema de la brecha de masa.

Los experimentos indican que los neutrinos tienen masa , lo cual el Modelo Estándar clásico no permitía. [ 63 ] Para acomodar este hallazgo, el Modelo Estándar clásico puede modificarse para incluir la masa del neutrino, aunque no está claro exactamente cómo debería hacerse.

Si se insiste en usar solo partículas del Modelo Estándar, esto se puede lograr agregando una interacción no renormalizable de leptones con el bosón de Higgs. [ 64 ] A nivel fundamental, tal interacción emerge en el mecanismo de seesaw donde se agregan neutrinos pesados ​​diestros a la teoría. Esto es natural en la extensión simétrica izquierda-derecha del Modelo Estándar [ 65 ] [ 66 ] y en ciertas teorías de gran unificación . [ 67 ] Siempre que 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 unificada 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 en cierta medida. Si bien aborda las interacciones fuertes y electrodébiles, el Modelo Estándar no explica de forma consistente la teoría canónica de la gravitación, la relatividad general , en términos de la teoría cuántica de campos . Esto se debe, entre otras cosas, a que las teorías cuánticas de campos de la gravedad generalmente fallan antes de alcanzar la escala de Planck . En consecuencia, carecemos 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 guardan relación entre sí y son arbitrarios. [ 68 ] Si bien el Modelo Estándar, en su forma actual, puede explicar por qué los neutrinos tienen masa, los detalles 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. [ 69 ]
  • El mecanismo de Higgs da lugar al problema de la jerarquía si existe alguna física nueva (acoplada al Higgs) en escalas de alta energía. En estos casos, para que la escala débil sea mucho menor 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 dicho ajuste fino. [ 70 ]
  • El modelo es inconsistente con el modelo emergente Lambda-CDM de cosmología. Entre las objeciones se incluye 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 varios 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 parecen requerir un mecanismo como la inflación cósmica , que también constituiría una extensión del Modelo Estándar.

Actualmente, ninguna teoría propuesta que lo explique todo ha sido ampliamente aceptada o verificada.

Véase también

Notas

  1. ↑ Todavía existen cuestiones matemáticas en relación con las teorías cuánticas de campos que están en debate (véase, 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 matemáticamente existen nueve combinaciones de color-anticolor, los gluones forman partículas de octeto de color. Como una combinación simétrica de color es lineal y forma partículas de singlete de color, hay ocho gluones posibles. [ 44 ]
  1. ↑ Un modelo es una representación de la realidad, mientras que una teoría es una explicación de la realidad; este artículo de Wikipedia y parte de la literatura se refieren al Modelo Estándar como una teoría.

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Libros de texto avanzados

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Artículos de revistas

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  • M. Baak; et  al. (2012). "El ajuste electrodébil del modelo estándar tras el descubrimiento de un nuevo bosón en el LHC". The European Physical Journal C . 72 (11) 2205. arXiv : 1209.2716 . Bibcode : 2012EPJC...72.2205B . doi : 10.1140/epjc/s10052-012-2205-9 . S2CID 15052448 . {{cite journal}}: CS1 maint: DOI gratuito sin marcar ( enlace )
  • Y. Hayato; et  al. (1999). "Búsqueda de la desintegración del protón a través de p → νK + en un detector Cherenkov de agua grande". Physical Review Letters . 83 (8): 1529– 1533. arXiv : hep-ex/9904020 . Bibcode : 1999PhRvL..83.1529H . doi : 10.1103/PhysRevLett.83.1529 . S2CID 118326409 . 
  • SF Novaes (2000). "Modelo estándar: introducción". arXiv : hep-ph/0001283 .
  • DP Roy (1999). "Constituyentes básicos de la materia y sus interacciones: un informe de progreso". arXiv : hep-ph/9912523 .
  • F. Wilczek (2004). "El universo es un lugar extraño". Física nuclear B: Actas suplementarias . 134 : 3. arXiv : astro-ph/0401347 . Bibcode : 2004NuPhS.134....3W . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2004.08.001 . S2CID 28234516 . 
  • El Modelo Estándar, disponible en la página web del CERN, explica cómo interactúan los componentes básicos de la materia, regidos por cuatro fuerzas fundamentales.
  • Física de partículas: Modelo estándar , conferencias de Leonard Susskind (2010).
  • Revista de Física de Partículas - Grupo de Datos de Partículas