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Podemos afirmar sin género de dudas que el modelo estándar de la física de partículas es una de las teorías que mejor acuerdo con los datos experimentales tenemos a nuestra disposición.
El caso es que actualmente y con los nuevos experimentos en marcha en física de partículas estamos en disposición de mirar más allá del modelo estándar.
En esta ocasión no vamos a explicar nada.
Lo que encontraremos aquí, es una lista de preguntas cuyas respuestas no pueden estar en el modelo estándar.
Es decir, estamos explorando los límites de nuestro conocimiento respecto a la física de partículas.
El modelo estándar
En el modelo estándar tenemos la descripción de la materia en términos de tres familias de leptones (que son las partículas de espín semientero que no sienten las interacción fuerte), los quarks (que son las partículas de espín semientero que sienten la interacción fuerte además de la débil
y la electromagnética).
Y partículas de espín entero, bosones, que transmiten las interacciones entre estas partículas.
El modelo estándar nos permite describir las interacciones, entender el comportamiento de estas partículas y cómo se relacionan entre si.
Además, tenemos otro campo, el Higgs, de espín 0 que sería el hipotético responsable de dotar de masa a las partículas del modelo estándar.
Así que ahora es el momento de establecer qué preguntas pueden surgir más allá del modelo estándar.
Los problemas que el modelo no puede resolver
A pesar de su extraordinaria efectividad a la hora de predecir magnitudes que luego comprobamos experimentalmente, el modelo estándar tiene algunas lagunas.
Dichos problemas vienen directamente ligados a la estructura del modelo
y las preguntas asociadas no se pueden resolver dentro del mismo.
Lo que nos proponemos es enumerar, nada más que eso, cuáles son dichos problemas.
Seguramente nos olvidaremos de muchos pero al menos intentaremos mostrar cómo está el estado actual de la investigación en física de partículas.
Los neutrinos tienen masa
Actualmente sabemos que los neutrinos tienen masa.
Esto lo sabemos por la capacidad que tiene un neutrino de una clase (asociada con el electrón, muón o tauón) en convertirse en un neutrino de otra clase. Este proceso, conocido como oscilaciones de neutrinos, no podría existir si los neutrinos tuvieran una diferencia de masa nula entre ellos.
Para más detalles: A los neutrinos les gustan los balancines.
Sin embargo, el modelo estándar nos dice que los neutrinos tendrían que ser partículas sin masa. Una explicación al por qué no tienen masa nula requiere física más allá del modelo.
El Higgs es ligero
Esperamos ver el Higgs en el LHC. De verse significará que el Higgs tiene una masa muy por debajo de la masa de Planck.
Esto supone un problema porque el modelo estándar nos dice que la masa del Higgs tiene que ser parecida a la masa de Planck.
Este problema, el problema de la jerarquía, necesita de física más allá del modelo estándar para ser explicada.
Los modelo actuales que explican esto se basan o bien en la presencia de partículas supersimétricas o bien en la existencia de un número de dimensiones del espaciotiempo mayores que cuatro.
Este problema es muy importante porque pudiera ser que se necesitara incorporar ideas gravitatorias a su explicación. El modelo estándar directamente ignora la gravedad.
Sólo hay tres familias
Si nos fijamos en las tablas de partículas del modelo estándar, la de leptones y quarks, vemos como estos se disponen en tres familias.
La razón por la que sólo hay tres familias y no más es desconocida.
Sin embargo, experimentalmente sabemos que sólo hay tres
(al menos en las escalas de energías sondeadas).
Resulta que hay magnitudes del modelo estándar que dependen del número de familias. Un ejemplo es la masa del bosón débil Z.
La probabilidad con la que este bosón interactúa con otras partículas está relacionada con el número de familias y se puede ver en la siguiente gráfica como los datos experimentales para esta probabilidad de interacción caen todos sobre la línea predicha asumiendo que sólo existen
tres familias de partículas fundamentales.
Conocer por qué hay sólo tres familias es física que necesita ingredientes que no encontramos en el modelo estándar.
Materia oscura
Sabemos que hay características astrofísicas en el movimiento de las galaxias, aparte de otras pruebas, que parecen indicar que hay más masa en las mismas de las que podemos “ver”.
Esta masa se supone debida a la materia oscura.
La materia oscura es una materia que interaccionaría muy débilmente con las partículas conocidas (las del modelo estándar) y no lo haría electromagnéticamente (de ahí el nombre de oscura).
El modelo estándar no tiene explicación para esta nueva forma de partículas.
Cuestión de cargas
Desde el colegio se nos dice que el electrón tiene la misma carga que el protón cambiada de signo. Un electrón es una partícula fundamental y el protón
es una partícula que está compuesta por tres quarks (quarks de valencia).
El modelo estándar no proporciona ninguna razón
para que esto tenga que ser así.
Podemos decir que esta coincidencia de los valores de la carga fundamental es inquietante y que necesitamos otra física nueva para poder explicarla.
Aún quedan otros problema que presentar
sobre el modelo estándar y sus límites.
La cuestión claramente es que nos queda mucho por conocer
y que hay trabajo para muchos años.
Lo mismo eres tú uno de los que resolverán alguno de estos problemas
Insisto, aquí no se están proporcionando respuestas basadas en teorías, simplemente tenemos una lista (quizás incompleta)
de los problemas a los que nos enfrentamos.
El problema CP fuerte
Simplificando mucho podemos decir lo siguiente:
- Cuando formulamos la teoría que describe el comportamiento de los quarks, la cromodinámica cuántica, esta nos dice que debería de existir de manera natural una diferencia entre materia y antimateria (técnicamente tenemos un término que violaría la simetría CP).
Sin embargo, experimentalmente sabemos que este efecto simplemente no está (el término de violación de CP es muy muy pequeño,
experimentalmente compatible con un valor nulo).
Dentro del modelo estándar no podemos saber por qué esto es así.
Por qué deberíamos de ver, según la teoría, una violación de la simetría materia-antimateria y luego experimentalmente no la vemos.
Materia-Antimateria
Lo dicho anteriormente sólo es un aspecto de un problema mayor.
Nuestras teorías y experimentos nos dicen (con mayor o menor insistencia) que en el universo debería de existir la misma cantidad de materia que de antimateria. Sin embargo, a nuestro alrededor no vemos tal cosa.
Encontrar una explicación clara para esta pregunta es esencial para entender por qué nuestro universo es como es.
Gracias a que la materia y la antimateria no se produjeron en igual número en nuestro universo primitivo podemos tener materia.
Como sabemos la materia y la antimateria tienen la manía de desintegrarse cuando se encuentran una partícula con una de sus antipartículas.
Si nosotros estamos aquí leyendo esto es porque hay algún mecanismo por el cual se produce un poco más de materia que de antimateria en los procesos físicos
Diferencias de masas
¿Por qué el entre el electrón y el quark top hay una diferencia de masas de alrededor de 100000 unidades (en GeV)?
No lo sabemos, que las partículas tengan masas comprendidas entre las de los neutrinos y el top no es algo que podamos deducir del modelo.
Es más, el modelo no predice ninguna masa de las partículas fundamentales. Hay que meter esos datos en el modelo después de haberlas medido experimentalmente.
Se espera que una teoría más allá del modelo estándar pueda predecir
y explicar las masas de las partículas.
La intensidad de las interacciones
Tampoco sabemos a ciencia cierta por qué las interacciones del modelo, electromagnetismo, débil y fuerte, tienen diferentes intensidades.
Sabemos que son diferentes, que unas son más intensas que otras
pero no sabemos por qué.
También tenemos indicios de que las intensidades de las interacciones varían según a la energía a la que estemos experimentando.
De hecho, los físicos esperamos que las interacciones sean de igual intensidad a una determinada energía lo que señalaría que todas las interacciones, en realidad, son la misma.
Esto nos lleva al concepto de unificación.
Si graficamos las intensidades (constantes de acoplo) en función de la energía a la que estamos experimentando vemos como en determinado punto estas se cruzan. Lo que indican que hay unificación de las mismas.
Sin embargo, para conseguir que se crucen las tres en un punto tenemos que ampliar el modelo estándar con supersimetría.
La constante cosmológica
Nuestro universo se está expandiendo y lo está haciendo aceleradamente. Según la relatividad general si el espaciotiempo están expandiéndose es porque hay una contribución energética que lo provoca.
En este caso suponemos que esta energía, también llamada energía oscura, debería de proceder de la energía del vacío del modelo estándar.
El problema no es menor porque la diferencia entre el valor predicho teóricamente para la constante cosmológica calculada en el modelo estándar y su valor experimental hay 123 órdenes de magnitud (es decir un ).
Este es un problema muy grande en la física, nadie esperaba este comportamiento en el universo y por ahora no hay ninguna explicación satisfactoria.
Otros problemas
El modelo estándar no incorpora la gravedad.
Tenemos un entendimiento muy pobre de la interacción fuerte, especialmente en la formación de partículas como el protón y el neutrón.
No sabemos si hay un número de dimensiones mayores que 4.
¿Se verán miniagujeros negros en el LHC?
¿Qué implicaciones teóricas tendría esto?
Seguramente me habré dejado muchos problemas en el tintero pero creo que estas dos entradas reflejan las principales preguntas que motivan la búsqueda de modelos teóricos más amplios que el modelo estándar.
Así que insistiremos, queda mucho por hacer, lo mismo eres tú el que tiene que contestar alguna de estas preguntas.
Nos seguimos leyendo…
