Modelo estándar de la física de partículas.
EL MODELO ESTÁNDAR DE LA FÍSICA DE PARTÍCULAS
El llamado Modelo Estándar de las partículas elementales no es propiamente un modelo, es una teoría. Y de las mejores que tenemos. Alias, en la opinión de muchos físicos, la mejor de todas sobre la naturaleza de la materia.
Por ejemplo, según Gordon Kane (2003), un físico teórico de la Universidad de Michigan:
el Modelo Estándar es, en la historia, la más sofisticada teoría matemática sobre la naturaleza.
A pesar de la palabra “modelo” en su nombre, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica las partículas básicas y especifica cómo interactúan. Todo lo que pasa en nuestro mundo (excepto los efectos de la gravedad) es resultado de las partículas del Modelo Estándar interactuando de acuerdo con sus reglas y ecuaciones.
De acuerdo con el Modelo Estándar, leptones y quarks son partículas verdaderamente elementales, en el sentido de que no poseen estructura interna.
Las partículas que tienen estructura interna se llaman hadrones; están constituidas por quarks: bariones cuando están formadas por tres quarks o tres antiquarks, o mesones cuando están constituidas por un quark y un antiquark2 . 1 Revista Brasileña de Enseñanza de Física, 31(1): 1306, 2009. 2 Antiquark es la antipartícula del quark. 2 Hay seis leptones (electrón, muón, tau, neutrino del electrón, neutrino del muón y neutrino del tau) y seis quarks [quark up (u) quark down (d), quark charm (c), quark extraño (s), quark bottom (b) y quark top (t)]. Sin embargo, los quarks tienen una propiedad llamada color3 y cada uno puede presentar tres colores (rojo, verde y azul).
Hay, por tanto, 18 quarks. Pero, como a cada partícula le corresponde una antipartícula4 , existirían en total 12 leptones y 36 quarks. El electrón es el leptón más conocido y el protón y el neutrón son los hadrones más familiares. La estructura interna del protón es uud, o sea, dos quarks u y uno d; la del neutrón es udd, es decir, dos quarks d y uno u.
El mesón π+ está formado por un antiquark d y un quark u, el mesón π‐ está constituido por un antiquark u y un quark d. Y así sucesivamente, o sea, la gran mayoría de las llamadas partículas elementales son hadrones y éstos están formados por tres quarks o tres antiquarks (bariones) o por un quark y un antiquark (mesones).
En principio, la teoría de los quarks, la Cromodinámica Cuántica, no prohíbe la existencia de partículas con estructura más compleja que tres quarks, tres antiquarks o un par quark-antiquark. Sin embargo, sólo recientemente (Scoccola, 2004) físicos experimentales han presentado evidencias de partículas con cinco quarks, o sea, pentaquarks, como el teta más, formado por cuatro quarks y un antiquark. Pero eso aún depende de resultados experimentales adicionales.
Una característica peculiar de los quarks es que tienen carga eléctrica fraccionaria, (+ 2/3 e) para algunos tipos y (-1/3 e) para otros. Sin embargo, nunca se detectaron quarks libres, están siempre confinados en hadrones, de tal modo que la suma algebraica de las cargas de los quarks que constituyen un determinado hadrón es siempre un múltiple entero de e. El protón, por ejemplo, está formado por dos quarks de carga (+2/3 e) y un quark de carga (-1/3 e) de modo que su carga es (2/3 + 2/3 -l/3) e, o, simplemente, e.
Es decir, el quantum de la carga eléctrica continúa siendo e (1,6.10- 19 C).
Resumiendo, según el Modelo Estándar, la gran cantidad de partículas elementales hasta hoy detectadas, cerca de 300, en aceleradores/colisionadores de partículas o en rayos cósmicos, puede ser agrupada en leptones, quarks y hadrones o en leptones y hadrones, ya que los quarks son constituyentes de los hadrones o, también, en leptones, bariones y mesones, pues los hadrones pueden ser divididos en bariones y mesones.
Pero, como se dijo al principio, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica las partículas básicas y especifica cómo interactúan éstas. Vamos entonces a las interacciones.
En la naturaleza hay cuatro tipos de interacciones fundamentales: gravitacional, electromagnética, fuerte5 y débil.
Cada de ellas es debida a una propiedad fundamental de la materia: masa (interacción gravitacional), carga eléctrica (interacción electromagnética), color (interacción fuerte) y carga débil (interacción débil). Si a cada una de esas propiedades las llamamos carga, tendremos cuatro cargas: carga masa, carga eléctrica, carga color y carga débil.
Se trata de una propiedad, no un color propiamente dicho. Rojo, verde y azul son sólo aspectos de esa propiedad. Así como la carga eléctrica, que es también una propiedad de ciertas partículas, puede ser positiva o negativa, la propiedad color, que se podría llamar carga color, presenta tres variedades que recibieron el nombre de rojo, verde y azul.
De modo general, una antipartícula tiene la misma masa y el mismo spin que la partícula en cuestión, pero cargas opuestas.
La interacción fuerte puede ser dividida en fundamental y residual; la fundamental es la propia interacción fuerte, la residual deriva de balances imperfectos de las atracciones y repulsiones entre los quarks que constituyen los hadrones. Así, hay también cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: fuerza gravitacional, fuerza electromagnética, fuerza color6 y fuerza débil. Todas las fuerzas que parecen ser distintas – como fuerzas elásticas, fuerzas de roce, fuerzas intermoleculares, interatómicas, inter-iónicas, fuerzas de viscosidad, etc. – son casos particulares o resultantes de esas cuatro fuerzas fundamentales.
Pero ¿cómo se da la interacción? ¿Quién “transmite el mensaje” de la fuerza entre las partículas que interactúan? Eso nos lleva a las partículas mediadoras o partículas de fuerza o, también, partículas virtuales.
Las interacciones fundamentales tienen lugar como si las partículas que interactúan “intercambiasen” otras partículas entre sí. Esas partículas mediadoras serían los fotones en la interacción electromagnética, los gluones en la interacción fuerte, las partículas W y Z en la interacción débil y los gravitones (aún no detectados) en la interacción gravitacional.
Es decir, partículas eléctricamente cargadas interactuarían intercambiando fotones, partículas con carga color interactuarían intercambiando gluones, partículas con carga débil intercambiarían partículas W y Z, mientras que partículas con masa intercambiarían gravitones.
Las partículas mediadoras pueden no tener masa, pero tienen energía7 , o sea, son pulsos de energía. Por eso, se llaman virtuales. De los cuatro tipos de partículas mediadoras8 , las del tipo W y Z tienen masa, pero es común que todas sean llamadas partículas virtuales. Entonces, se podría decir que las partículas de materia o partículas reales9 (leptones, quarks y hadrones) interactúan intercambiando partículas virtuales (fotones, gluones, W y Z, y gravitones).
Aquí hay que tener en cuenta que las partículas de materia pueden tener más de una carga, de modo que experimentarían varias interacciones y fuerzas, pero el ámbito de la interacción puede variar mucho, de tal manera que en un determinado dominio una cierta interacción puede ser irrelevante.
La fuerza gravitacional, por ejemplo, puede ser desconsiderada en el dominio subatómico. Es decir, aunque existan cuatro interacciones fundamentales, cuatro cargas y cuatro fuerzas, eso no quiere decir que todas las partículas tengan las cuatro cargas y experimenten las cuatro interacciones.
¡Pero faltan los campos! Los cuatro campos. Sabemos que un cuerpo con masa crea alrededor de sí un campo gravitacional, un campo de fuerza que ejerce una fuerza sobre otro cuerpo masivo y viceversa.
Análogamente, un cuerpo cargado eléctricamente, crea un campo electromagnético (si está en reposo, se percibe sólo su componente eléctrico, si está en movimiento se manifiesta también el componente magnético) y ejerce una fuerza electromagnética sobre otro cuerpo electrizado y viceversa. De la misma manera, está el campo de la fuerza fuerte y el campo de la fuerza débil. O sea, hay cuatro campos fundamentales: el electromagnético, el fuerte, el débil y el gravitacional10.
Así como la interacción fuerte puede ser distinguida entre fundamental y residual, la fuerza color puede ser diferenciada en fuerza color fuerte y fuerza color residual. O sea, a cada interacción corresponde una fuerza, entonces, si la interacción fuerte puede ser interpretada como fundamental o residual, correspondientemente, se puede hablar de fuerza color fuerte y fuerza color residual.
Recordemos que hay una equivalencia entre masa y energía, respectivamente.
Mesones también pueden actuar como partículas mediadoras, pero en el caso de la interacción fuerte residual. Son los quanta del campo mesónico, que no es un campo fundamental como el electromagnético, el fuerte, el débil y el gravitacional.
Las partículas que aquí se están considerando reales porque tienen masa, también pueden ser virtuales como, por ejemplo, las parejas electrón-positrón virtuales mencionados en la sección el vacuo no es vacío; todo depende de la energía.
Lo que se está buscando es mantener la simetría, diciendo que hay en cuatro campos fundamentales, cuatro cargas, cuatro interacciones y cuatro tipos de partículas mediadoras; en realidad, sólo en la gravitación newtoniana un cuerpo con masa crea en torno de sí un campo gravitacional, no en la Relatividad General.
4 partículas mediadoras son los quanta de los campos correspondientes: los fotones son los quanta del campo electromagnético, los gluones son los quanta del campo fuerte, las partículas W y Z del campo débil y los gravitones serían los quanta del campo electromagnético.
En otras palabras, los cuatro campos fundamentales son el campo de fotones (electromagnético), el de gluones (fuerte), el de partículas W y Z (débil) y el de gravitones (gravitacional).
El problema en esa bella simetría de cuatro cargas, cuatro interacciones, cuatro fuerzas, cuatro tipos de partículas mediadoras y cuatro campos es que aún no fue detectado ningún gravitón y la gravedad, en sí, no encaja bien en esa teoría llamada Modelo Estándar. (2)
(1) modelo estandar
(2)Modelo estandar de las particulas
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