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.
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.
Representación de las distintas interacciones según el modelo estándar. Las interacciones se entiende como partículas, los bosones mensajeros de la interacción
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.
¿Cómo se construye el modelo estándar?
Uno introduce los tipos de partículas permitidos, leptones, quarks, etc. Algunos de ellos son bosones y otros fermiones (partículas con espín entero y semientero respectivamente).
Luego exigimos que se satisfagan ciertas leyes de conservación y ciertas simetrías (lo que se conoce como simetrías gauge) y luego se construye una teoría que satisfaga la mecánica cuántica y la relatividad especial.
Todo esto nos da una teoría cuántica de campos de las partículas y las interacciones entre ellas.
Partículas del modelo estándar:
Dado que vamos a construir el modelo estándar como una teoría cuántica de campos hemos de suministrarle partículas y antipartículas.
Sin embargo, este no es un grave problema, en cuanto exigimos a una teoría que mezcla cuántica y relatividad especial que exista una partícula la antipartícula asociada viene dada directamente por la teoría.
Pero al modelo estándar le da un poco igual el número de partículas que existan.
Nosotros sabemos experimentalmente que tenemos tres familias de leptones (partículas que sienten la interacción débil y la electromagnética) que contienen al electrón, muón, tauón y sus respectivos neutrinos.
Y tenemos tres familias de quarks, el (up, down), (charm, strange), (bottom, top). Así que esto hay que ponerlo a mano.
Lo que sí tenemos claro es que el número de familias leptónicas ha de ser igual al número de familias de quarks.
Interacciones en el modelo estándar:
Una de las maravillas de esta teoría es que nos proporciona directamente, es decir, no están puestas a mano, las interacciones entre los distintos tipos de partículas.
El electromagnetismo, la interacción débil y la interacción fuerte vienen descritas de forma natural por la teoría simplemente exigiendo que lanaturaleza satisfaga ciertas simetrías.
Si exigimos que la física sea consistente independientemente de la forma de definir ciertos parámetros dependientes del observador eso hace que aparezcan las interacciones.
Estas son simetrías gauge, y hacen referencia a la independencia de cada
La forma en la que aparecen dichas interacciones es bajo el intercambio de partículas mensajeras de la interacción .
Estas partículas son bosones, tienen espín entero, y son el fotón para el electromagnetismo, los bosones W y Z para la interacción débil y los gluones para la interacción fuerte.
El problema es que la teoría cuántica de campos que nos da las interacciones nos dice que los bosones mensajeros no tienen masa, de hecho no pueden tenerla para que la teoría tenga la simetría exigida (simetría gauge).
Pero resulta que los bosones W y Z tienen masa (y de hecho una masa respetable).
Para que estas partículas tengan masa y explicar que el fotón no la tiene se ha de introducir un mecanismo tal que genere masa y satisfaga la condición de simetría.
El modelo o mecanismo más popular, como ya hemos comentado, es introducir a mano un campo nuevo, el campo de Higgs.
La teoría cuántica asociada nos dice que tiene que existir un bosón asociado a este campo, el bosón de Higgs.
Gracias a la existencia de esta partícula se puede entender por qué unos bosones mensajeros tienen masa y otros no.
Sin embargo, aún no hemos detectado este bosón y eso hace que aún no sepamos como se genera masa en el modelo estándar.
El LHC
En los aceleradores de partículas testeamos las teoría sobre las partículas y sus interacciones.
Desde su origen, estos instrumentos nos han confirmado que el modelo estándar es una teoría excelente (sin contar con sus problemillas).
Sin embargo con el LHC vamos a tener la opción de mirar energías muy elevadas, y dichas energías nos permitirán ver los límites en los que el modelo estándar debería de dejar de ser válido.
Para empezar, el LHC tiene que ver necesariamente la existencia de la partícula de Higgs. De no verse, los teóricos deberán de encontrar otro modo de explicarla masa de las partículas.
También sería posible ver supersimetría, esta teoría nos dice que por cada bosón existe un fermión compañero, lo que se llama el supercompañero.
Sin embargo, hoy por hoy no vemos estos supercompañeros, porque su masa ha de ser mucho mayor que su compañero que vemos ahora mismo. Por ejemplo, el electrón tendría un supercompañero llamado s-electrón.
Además, que la existencia de estas partículas supersimétricas con esenciales para que el mecanismo de Higgs funcione.
De encontrar el Higgs, pero no encontrar la supersimetría tendríamos un maravilloso problema teórico.
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