Las teorías y descubrimientos de miles de físicos durante el siglo pasado han dado lugar a un notable conocimiento de la estructura fundamental de la materia: se ha encontrado que cada cosa en Universo está hecha de doce bloques de construcción básicos llamados partículas fundamentales, gobernadas por cuatro fuerzas fundamentales. Nuestra mejor comprensión de cómo estas doce partículas y tres de las fuerzas que están relacionados unos con otros se encapsula en el Modelo Estándar de partículas y fuerzas. Desarrollado a comienzos del decenio de 1970, ha explicado con éxito una serie de resultados experimentales y prevé con precisión con una amplia variedad de fenómenos. Con el paso del tiempo y a través de muchos experimentos de muchos físicos, el modelo estándar se ha establecido como una bien probada física d teórica.
PARTÍCULAS MATERIALES
Todo lo que nos rodea está hecho de partículas materiales. Esas se producen en dos tipos básicos llamados quarks y leptones
Cada grupo se compone de seis partículas, que están relacionados en parejas, o “generaciones”. Las más estables y ligeras partículas constituyen la primera generación, mientras que las partículas más pesadas y menos estables pertenecen a la segunda y tercera generaciones. Toda la materia estable en el Universo está hecha de partículas que pertenecen a la primera generación; cualquiera partícula más pesada decae forma rápidamente al siguiente nivel más estable.
Los seis quarks están apareados en las tres generaciones - el “up quark (arriba) “y el ‘ down quark (abajo)” forman la primera generación, seguido por el “charm quark (encanto)” y el «”strange quark (extraño)”, luego el ” quark top (superior) ” y el “bottom quark (inferior)”. Los seis leptones son igualmente dispuestos en tres generaciones - el “electrón” y el “electrón-neutrino “, el” muón “y el” muón-neutrino’ y la ‘tau’ y la ‘tau-neutrino ». El electrón, el muón y el tau todos tienen una carga eléctrica y una masa, mientras que los neutrinos son eléctricamente neutros con muy poca masa.
FUERZA Y PARTÍCULAS PORTADORAS
Hay cuatro fuerzas fundamentales en el trabajo en el universo: la fuerza fuerte, la fuerza débil, la fuerza electromagnética y la fuerza gravitatoria. Ellas trabajan en diferentes alcances y tienen diferentes intensidades. La gravedad es la más débil pero tiene un alcance infinito. La fuerza electromagnética también tiene alcance infinito, pero es muchas veces más intensa que la gravedad. Las fuerzas débiles y fuertes fuerzas sólo son eficaces en un muy corto alcance y dominan sólo a nivel de partículas subatómicas. A pesar de su nombre, la fuerza débil es mucho más fuerte que la gravedad, pero sí es la más débil de los otros tres. La fuerza fuerte es, como su nombre lo indica, la más fuertes entre las cuatro interacciones fundamentales
Sabemos que tres de las fuerzas fundamentales resultado del intercambio partículas portadoras de fuerza, las cuales pertenecen a un grupo más amplio denominado «bosones». Las partículas de materia transfieren cantidades discretas de energía mediante el intercambio de bosones unas con otras. Cada fuerza fundamental tiene su propio bosón de partículas correspondiente - la fuerza fuerte es portada por el ‘gluon’, la fuerza electromagnética es portada por los “fotones”, y los bosones “W y Z ” son los responsables de la fuerza débil. Aunque todavía no se encuentra, el “Gravitón” debería ser la correspondiente portadora de la fuerza de gravedad.
El modelo estándar incluye las fuerzas electromagnética, fuerte y débil y todas sus partículas portadoras, y explica extremadamente bien cómo estas fuerzas actúan en todas las partículas de materia. Sin embargo, la más conocida la fuerza en nuestra vida cotidiana, la gravedad, no forma parte del Modelo Estándar. De hecho, integrar la gravedad cómodamente en la estructura del Modelo Estándar ha demostrado ser un desafío difícil. La teoría cuántica es utilizada para describir el micro mundo, y la teoría general de la relatividad se usa para describir la macro mundo, son como dos niños que se niegan a jugar muy bien junto. Nadie ha sido capaz de hacer las dos matemáticamente compatible en el contexto del Modelo Estándar. Pero por suerte para la física de partículas, cuando se trata de la minúscula escala de las partículas, el efecto de la gravedad es tan débil como para ser insignificante. Sólo cuando tenemos materia en mole, como nosotros mismos o los planetas, el efecto de la gravedad se hace dominante. Por lo tanto, el Modelo Estándar todavía funciona bien a pesar de su reluctante exclusión de una de las fuerzas fundamentales.
Tan lejos, tan bueno ... pero
… no es tiempo para que los físicos lo llamen un día justo cuando. A pesar de que el modelo estándar es actualmente la mejor descripción que tenemos del mundo subatómico, no explica la imagen completa. La teoría incorpora sólo tres de las cuatro fuerzas fundamentales, omitiendo la gravedad. Por desgracia, ¡Newton estaría revolviéndose en su tumba! También hay cuestiones importantes que no puede responder, como lo es la materia oscura, lo que ha sucedido a la desaparecida antimateria, y mucho más.
Por último, pero no por ello menos importante, un ingrediente esencial del Modelo Estándar, una partícula llamada el bosón de Higgs, aún no se ha encontrado en un experimento. La carrera es la busqueda de Higgs - la clave para el origen de la masa de las partículas. Encontrarla sería un gran paso para la física de partículas, a pesar de que su descubrimiento no escribiría el término final a la historia.
Por lo tanto, a pesar de la eficacia del modelo estándar al describir los fenómenos dentro de su dominio, es, sin embargo, incompleta. Quizás es sólo una parte de un panorama más amplio que incluye la nueva física que ha estado profundamente oculta hasta ahora en el mundo subatómico o en la oscuridad de las rendijas del Universo. Nueva información de experimentos en el LHC seguramente nos ayudaran a encontrar más de estas piezas que faltan.
Una abertura mayor en la física de partículas apareció en la década de los años 70 cuando los físicos se dieron cuenta de que hay vínculos muy estrechos entre dos de las cuatro fuerzas fundamentales - a saber, la fuerza débil y la fuerza electromagnética. Las dos fuerzas se pueden describir dentro de la misma teoría, la que constituye la base del Modelo Estándar de Partículas e Interacciones. Esta «unificación» implica que la electricidad, el magnetismo, la luz y algunos tipos de radiactividad son todas manifestaciones de una única fuerza subyacente llamada, no nos sorprende, fuerza electro débil. Pero para trabajar matemáticamente esta unificación, se requiere que las partículas portadoras de fuerza no tengan masa. Experimentalmente sabemos que esto no es cierto, por lo que los físicos Peter Higgs, Robert Brout y François Englert llegaron a una solución para resolver este dilema.
Sugirieron que ninguna de las partículas tiene masa justo después del Big Bang. A medida que el Universo se enfrío y la temperatura cayó por debajo de un valor crítico, se formó un campo de fuerza invisible llamado el ‘campo de Higgs’ asociado con el ‘ bosón de Higgs’. El campo prevaleció a través de todo el cosmos: cualquiera de las partículas que interactuaron con él se dieron una masa vía el bosón de Higgs. Cuanto más interactuaron, más pesadas devinieron, mientras que las partículas que nunca interactuaron se quedaron sin masa en absoluto.
Esta idea ofreció una solución satisfactoria y encajaba bien con las teorías y fenómenos. El problema es que nadie ha observado el bosón de Higgs en un experimento para confirmar la teoría. Encontrar esta partícula daría una idea de por qué las partículas tienen masas determinadas, y ayudaría a desarrollar la subsecuente física. El problema técnico es que no sabemos la masa del bosón de Higgs, lo que lo hace más difícil de identificar. Los físicos tienen que buscarlo por investigación sistemática en un rango de masa dentro del cual se ha predicho que exista. El rango aún inexplorado es accesible mediante el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider), el cual determinará la existencia del bosón de Higgs. Si resulta que no podemos encontrarlo, esto dejará un amplio campo abierto a los físicos para desarrollar completamente una nueva teoría a fin de explicar el origen de la masa de partículas.
Los oscuros secretos del Universo
Es tal vez natural que no sepamos mucho acerca de cómo el Universo se creó - después de todo, nunca estuvimos allí nosotros mismos. Pero es sorprendente darse cuenta de que cuando se trata de el Universo de hoy, no necesariamente tenemos un conocimiento mucho mejor de lo que está ahí fuera. De hecho, los astrónomos y los físicos han descubierto que todos lo que vemos en el Universo - planetas, estrellas, galaxias - ¡representa sólo una pequeña de 4%! En cierto modo, no es tanto la parte visible cosas que definen el Universo, sino más bien el vacío a su alrededor.
Cosmológicos y astrofísicos observaciones indican que la mayor parte del Universo está compuesto de sustancias invisibles que no emiten radiación electromagnética - es decir, no podemos detectar directamente a través de telescopios u otros instrumentos similares. Se detecta sólo a través de sus efectos gravitacionales, lo que los hace muy difíciles de estudiar. Estas misteriosas sustancias se conocen como «materia oscura» y «energía oscura». ¿Qué son y qué papel han desempeñado en la evolución del Universo? son un misterio, pero dentro de esa oscuridad yacen intrigantes posibilidades hasta ahora desconocidas de la física más allá del Modelo Estándar establecido.
Materia oscura
Energía oscura
La energía oscura constituye aproximadamente el 70% del Universo y al parecer está asociada con el vacío en el espacio. Esta homogéneamente distribuida por todo el Universo, no sólo en el espacio, sino también en el tiempo - en otras palabras, su efecto no se diluye como el Universo se expande.
La igual distribución significa que la energía oscura no tiene efectos gravitacionales locales, sino más bien un efecto global sobre el Universo en su conjunto. Esto conlleva a una fuerza repulsiva, lo que tiende a acelerar la expansión del Universo. La tasa de expansión y su aceleración puede medirse por las observaciones basadas en la ley de Hubble. Estas medidas, junto con otros datos científicos, han confirmado la existencia de energía oscura y proporcionan una estimación de cuanta de esta misteriosa sustancia existe.
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