Modelo estándar

Acercándonos al LHC

El Modelo Estándar de Física de Partículas es la mejor teoría que los físicos tienen actualmente para des-cribir los bloques fundamentales del edificio del universo. Es uno de los logros más grandes de la ciencia del siglo XX.

 


El Modelo Estándar describe el universo usando 6 quarks, 6 leptones y algunas partículas “portadoras de la fuerza”. Hay cuatro fuerzas conocidas (o interacciones), cada una mediada por una partícula fundamental, conocida como partícula intermediaria o portadora. Tres de ellas son losfotones (interacción electromagnética), gravitones (interacción gravitatoria), y los gluones  (interacción fuerte) que no tienen ninguna masa, mientras que las partículas W± y Zº, portadoras de la fuerza débil tienen una masa de 80-90 GeV/c2.
La Gravedad está incluida solamente en el Modelo Estándar como hipótesis especulativa, pues los gravitones no se han observados directamente aún.

 

 


A energías muy altas y a escalas muy pequeñas las interacciones fuerte, electromagnética y débil llegan a ser casi idénticas, pero la convergencia es imperfecta.

Las fuerzas electromágneticas y gravitacionalesvarían con el cuadrado inverso de la distancia y tienen alcance infinito. Sin embargo las fuerzas nucleares fuertes y débiles son de muy corto alcance.

En el caso da fuerza débil, ese corto alcance tiene que ver con la enorme masa de las partículas portadoras de la fuerza. En el caso de la fuerza fuerte, la razón de su corto alcance dr debe a su especial comportamiento que hace que aumente asintóticamente con la distancia. Por tanto, según aumente la distancia están implicadas energías cada vez mayores.

 

as partículas que "sienten" la fuerza nuclear fuerte se llaman hadrones, mientras que las que no la sienten son los leptones.  Los hadrones se forman por unión de partículas más elementales llamadas quarks, mientras que los leptones se consideran como partículas sin estructura y por tanto verdaderamente elementales.

Hay seis tipos (también llamados “sabores”) de quarks y de leptones (ver cuadro).

 

 


Los leptones  pueden existir aislados pero los quarks se asocian siempre en tríos (bariones) o en parejas quark-antiquark (mesones). Los protóns y los neutrones son los bariones  más conocidos, meintras que piones  y kaones son mesones.
Los quarks existen solamente dentro de los hadrones donde están confinados por la fuerza fuerte. Por tanto, no podemos medir su masa aislándolos. Esta es una característica nueva y radical de la fuerza fuerte (conocida como libertad asintótica de los quarks), cuya explicación les valió el premio Nobel a Gross, Wilczek y Politzer en el año 2004.
 

Por otra parte, todas las partículas se clasifican como fermiones  o bosones. La diferencia entre ellas es debida al valor de su spin.
 
 

Fermiónnombre para las partículas caracterizadas por un spin fraccionario del momento angular intrínseco en unidades de h/2π (1/2, 3/2, 5/2...), y que se comportan según la estadística de Fermi-Dirac, es decir no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente.

Los quarks, leptones y bariones son todos fermiones.

Dos fermiones "se opónen" a ser situados cerca uno del otro. Por tanto, los fermiones  poseen "rigidez" y de ahí se van a derivar todas las propiedades macroscópicas de la materia. Por tanto, se consideran a veces a los fermiones como "partículas de materia".

El principio de exclusión de Pauli obedecido por los fermiones es responsable de la estabilidad de los electrones e los átomos (y por tanto de la estabilidad de toda a materia). También es responsable de la complejidad de los átomos (dada la imposibilidade de que todos los electrones atómicos ocupen el mesmo nivel de energía), siendo ésta laa explicación de la variedad química del universo. Es también responsable de otros efector tan espectaculares como la presión dentro de la materia degenerada que gobierna en gran parte el estado de equilibrio de las enanas blancas y de las estrellas de neutrones.

 


Bosónnombre para las partículas con spin entero (0, 1 , 2...) en unidades de h/2π de momento angular y que responden a la estadística de Bose-Einstein.

En contraste con los fermiones, varios bosones  pueden ocupar el mismo estado cuántico. Así, los bosones  con misma energía pueden ocupar el mismo lugar en el espacio. Son pues las partículas que conforman los campos de fuerza y por tanto son bosones las partículas portadoras de todas las interacciones. Los mesones son también bosones.

Después del descubrimeinto del bosón de Higgs, el único bosón en el Modelo Estándar que deben aún ser descubierto experimentalmente es el  gravitón.

Cuando ese estado cuántico común ocupado por bosones es el fundamental se obtiene el llamado condensado de Bose_Einstein (BEC). Se trata de un estado con propiedades cuánticas que no tiene análogo en la Física clásica.

Las características del LASER y del MASER, la superconductividad, las propiedades del Helio-4 superfluido y de otros condensados de Bose_Einstein son debido a las propiedades de los bosones.

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Actualmente está en el Depto de Física de Partículas de la USC  ("Juan de la Cierva", Spanish Postdoctoral Junior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España). Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

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