Muchas veces nos encontramos con discusiones acerca de las partículas elementales, del LHC, del Higgs, etc. Y en todas estas se menciona de una forma u otra el modelo estándar o extensiones del mismo.
En esta entrada lo que pretendo es exponer brevemente y sin formalismo en qué consiste dicho modelo, cuáles son sus puntos fuertes (que son muchos y fortísimos) y cuáles sus puntos débiles (que haberlos hay los).
Apuntes sobre el modelo estándar
Cuando hablamos del modelo estándar hemos de tener claros una serie de puntos:
1.- Es la teoría que explica las interacciones (no gravitatorias) de las partículas elementales.
2.- Dicha teoría ha sido confirmada experimentalmente durante los últimos 50-60 años.
3.- Sin embargo, debido a ciertas ambigüedades inherentes a la propia teoría sabemos que no puede ser la teoría definitiva que nos explique la materia y sus interacciones en todos los rangos de energía.
¿Qué es el modelo estándar?
El modelo estándar no es más que un conjunto de teorías cuánticas de campos que intenta modelar el comportamiento de las partículas elementales y su forma de interactuar.
Las interacciones que contempla el modelo estándar son:
- La interacción electromagnética que se presenta entre partículas con carga eléctrica.
- La interacción débil que es la responsable de cambiar los tipos de partículas.
- La interacción fuerte que es la interacción entre quarks. Dicha interacción se presenta entre partículas con una carga denominada color.
Dentro del modelo estándar, la interacción electromagnética y la interacción débil están unificadas. Es decir, existe una teoría que es capaz de describir los fenómenos electromagnéticos y débiles en un único marco teórico. Esta es la conocida como teoría electrodébil.
Además de la teoría electrodébil, el modelo estándar tiene otra parte denominada cromodinámica cuántica. Esta última es la teoría que describe como se comportan e interactúan los quarks.
Las flechas representan qué interacciona con que. Las interacciones según el modelo estándar vienen dadas por el intercambio de bosones mensajeros. El fotón para el electromagnetismo, los bosones tipo W y Z para la interacción débil y los gluones para la interacción fuerte. El bosón de Higgs es el que dota de masa a las partículas con las que interacciona.
Puntos débiles del modelo estándar
A pesar de ser la teoría mejor comprobada de la historia de la física, el modelo estándar presenta diversos problemas que nos indican que no es la teoría final de las interacciones entre partículas elementales.
Entre otros problemas tenemos:
1.- A energías muy elevadas las predicciones de la probabilidad de sucesos determinados entre partículas (es decir, que en colisiones de muy alta energía entre un determinado tipo de partículas obtengamos unos determinados productos finales) son incorrectas.
2.- Además muchos de los cálculos son extremadamente difíciles lo cual hace que haya que recurrir a aproximaciones muy severas. Esto hace que podamos confiar poco en los resultados teóricos obtenidos.
3.- No incluye la interacción gravitatoria y esto implica entre otras cosas que se incurran en errores que conducen a expresiones sin sentido en los desarrollos teóricos (aparición de algunos infinitos no reinterpretables, lo que se llama renormalización).
4.- Tiene muchos parámetros que se han de fijar a partir de valores medidos experimentalmente. Eso quiere decir que todos esos parámetros no pueden ser determinados por la teoría. Esto nos lleva a pensar que debe de existir otra teoría que nos diga por qué dichos parámetros tienen los valores que tienen y no otros. En el modelos estándar tenemos 20 parámetros de este tipo, incluyendo las masas y las cargas de las partículas.
Algunos de estos parámetros se toman como cero (masa de los neutrinos por ejemplo) sin razón alguna y esto puede ser incorrecto.
Valores de algunos parámetros que hay que fijar experimentalmente en el modelo estándar. La teoría no predice estos valores así que son inputs externos suministrados por resultados experimentales
5.- No entendemos por qué el electromagnetismo y la interacción débil son tan diferentes en nuestra escala de energía si son parte de la misma interacción electrodébil en energías más altas. Esto tiene como consecuencia que no sabemos por qué hay partículas con masa y otras sin masa. Esto hace necesario introducir un mecanismo de generación de masa, el candidato más popular es el mecanismo de Higgs que tendría un bosón asociado que estamos intentando encontrar en el LHC.
Idealmente una teoría debería darnos el contenido de partículas de la naturaleza, sus cargas, masas, y el resto de características intrínsecas a las mismas. El modelo estándar no nos proporciona esta información.
Lo que de verdad nos da el modelo estándar es la forma que tienen las partículas de interactuar, pero nosotros le tenemos que suministrar que tipos de partículas existen.
Nos seguimos leyendo…
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