Modelo estándar

Achegándonos ao LHC

O Modelo Estándar de Física de Partículas é a mellor teoría que os físicos teñen actualmente para describir os bloques fundamentais do edificio do universo. É un dos logros máis grandes da ciencia do século XX.

 


O Modelo Estándar describe o universo usando 6 quarks, 6 leptóns e algunhas partículas “portadoras da forza”. Hai catro forzas coñecidas (ou interaccións), cada unha mediada por unha partícula fundamental, coñecida como partícula intermediaria ou portadora. Tres delas son os fotóns (inter-acción electromagnética), gravitóns  (interacción gravitatoria), e os gluóns  (interacción forte) que non teñen ningunha masa, mentres que as partículas W± e , portadoras da forza feble teñen unha masa de 80-90 GeV/c2. 
A Gravidade é incluída soamente no Modelo Estándar como hipótese especulativa, pois os gravitóns no se teñen observados directamente aínda.

 

 


A enerxías moi altas e a escalas moi pequenas as interaccións forte, electromagnética e feble chegan a ser case idénticas, pero a converxencia é imperfecta.

As forzas electromágneticas e gravitacionais varían con o cadrado inverso da distancia e teñen alcance infinito. Sen embargo as forzas nucleares fortes e febles son de moi curto alcance.

No caso da forza feble, ese curto alcance ten que ver coa enorme masa das partículas portadoras da forza. No caso da forza forte, a razón do curto alcance débese ao seu especial comportamento que fai que aumente asintóticamente coa distancia. Polo tanto, segundo aumente a distancia están implicadas enerxías cada vez maiores.

 

As partículas que "sinten" a forza nuclear forte chámanse hadróns, mentres que as que non a sinten son os leptóns.  Os hadróns  fórmanse por unión de partículas máis elementais chamadas quarks, mentres que os leptons considéranse como partículas sen estrutura e polo tanto verdadeiramente elementais.

Hai seis tipos (tamén chamados “sabores”) de quarks e de leptóns (ver táboa).

 

 


Os leptóns  poden existir illados pero os quarks se asocian fundamentalmente en tríos (barións) ou en parellas quark-antiquark (mesóns). Os protóns e os neutróns son os barións  mais coñecidos, e pións  e kaóns son mesóns.

Os quarks existen soamente dentro dos hadróns onde están confinados pola forza forte. Polo tanto, non podemos medir a súa masa illándoos. Esta é unha característica nova e radical da forza forte (coñecida como liberdade asintótica dos quarks), que como xa se apuntou máis arriba ven a dicir que se segundo separemos dous quarks máis aumenta a atracción entre eles, e de aí que no podan ser aillados. Esta teoría foi desenvolvida por Gross, Wilczek e Politzer pola que recibiron o premio Nobel ano ano 2004.

Como se mencionou anteriormente, os quarks adoitan combinarse en grupos de dous e tres para formar hadróns. Porén, en raras ocasións, tamén poden xuntarse en partículas de catro e cinco quarks, ou "tetraquarks" e "pentaquarks". Estes hadróns exóticos foron preditos polos teóricos á vez cós hadróns convencionais, hai unhas seis décadas, pero ten sido xa no S.XXI cuando comenzaron a seren observados observados por LHCb e outros experimentos
(Ver máis...)
 

Por outra parte, todas as partículas clasifícanse como fermións ou bosóns. A diferenza entre elas é debida ao valor do seu spin.

Fermión: nome para unha partícula compoñente da materia, caracterizada por un spin fraccionario do momento angular intrínseco en unidades de h/2π (1/2, 3/2, 5/2...), sendo o nome unha homenaxe ao físico italiano Enrique Fermi. Os quarks, leptóns e barións son todos fermións.

Dous fermións  non poden ocupar o mesmo estado cuántico simultaneamente. Obedecen, pois, á estatística de Fermi-Dirac. "Opóñense" a ser situados perto un do outro. Xa que logo, os fermións  posúen "rixidez" e de aí vanse derivar todas as propiedades macroscópicas da materia. Polo tanto, consi-déranse ás veces aos fermións como "partículas da materia".

O principio de exclusión de Pauli obedecido polos fermións é responsable da estabilidade dos electróns nos átomos (e polo tanto da estabilidade de toda a materia). Tamén é responsable da complexidade dos átomos (dada a imposibilidade de que todos electróns atómicos ocupen o mesmo nivel de enerxía), sendo asi a razón da complexidade química do universo. É tamén responsable de efectos tan espectaculares como a presión dentro da materia dexenerada que goberna en gran parte o estado de equilibrio das ananas brancas e das estrelas de neutróns.


Bosónnome de calquera partícula cun spin (0, 1 , 2...) en unidades de h/2π do momento angular (en honor do físico indú S.N. Bose, que xunto con Einstein desenvolveu a estatística deste tipo de partículas).

En contraste cos fermións, varios bosóns  poden ocupar o mesmo estado cuántico. Así, os bosóns  coa mesma enerxía poden ocupar o mesmo lugar no espazo. Isto fai que sexan este tipo de partículas os que conforman os campos de forza, polo que as partículas portadoras de todas as interaccións son bosóns. Os mesóns son tamén bosóns.

Despois do descubrimento do bosón de Higgs, o único bosón no Modelo Estándar que debe aínda ser descuberto experimentalmente é o gravitón.

Cando ese estado cuántico común ocupado por bosóns é o fundamental obtense o chamadocondensado de Bose_Einstein (BEC). Trátase dun estado con propiedades cuánticas que non ten análogo na Física clásica.

As características do LASER e do MASER, a superconductividade, as propiedades do Helio-4 superfluido y doutros condensados de Bose_Einstein son debido ás propiedades dos bosóns.


Principio de Universalidade do "sabor" leptónico.


A interacción débil, tal como se describe no Modelo Estándar (SM), actúa de forma simétrica para todos os leptóns.

Un axioma fundamental do Modelo Estándar é a universalidade dos acoplamientos das diferentes familias de leptónss aos bosóns intermediarios da fuerza electrodébil.

 

A medida da relación da taxa de desintegración de bosóns W a electróns e muóns, R(μ/e), constitúe unha proba importante deste axioma. Utilizando 140 fb−1 de colisións protón-protón rexistradas co detector ATLAS a unha enerxía de centro de masas de 13 TeV, a Colaboración ATLAS establece unha medida desta cantidade a partir de sucesos di-leptónicos nos que os quarks top decaen nun bosón W e un quark bottom.

O valor medido de R(μ/e) de 0.9995 ± 0.0045 está en total acordo coa hipótese do Principio de Universalidade do sabor leptónico establecido no Modelo Estándar. Se trata de la única medición de este tipo realizada hasta ahora en el Gran Colisionador de Hadrones, y obtiene el doble de precisión que las anteriores.

Tomado de ATLAS Collaboration (Marzo 2024): Precise test of lepton flavour universality in W-boson decays into muons and electrons in pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector. (58th Rencontres de Moriond 2024)

More here...


Outro resultado previo de gran importancia nesta mesma cuestión, procede da LHCb Collaboration, Decembre 2022.
Como se indica no apartado anterior, a interacción feble, tal como se describe no Modelo Estándar (SM), actúa de xeito simétrico para todos os leptóns. Isto quere dicir que decaementos que impliquen por exemplo muóns ou electrones deben presentar iguais probabilidades (con pequenas correccións debidas ás diferentes masas deses leptóns). Un exemplo de tales decaementos son B+→ (K+μ+μ-) e B+→ (K+e+e-), nos que un mesón B decae nun par de leptóns, acompañados por un mesón K. Seguindo o Modelo Estándar, se se mide a probabilidade de ambos procesos deberíamos obter teóricamente unha relación (RK) desas probabilidades moi cercanas a 1. Estudos previos destas desintegracións mostrarían diferenzas significativas respecto ás prediccións teóricas, debido potencialmente aos efectos de novas partículas ou fuerzas.

Os resultados anunciados en decembro de 2022, que superan as comparacións anteriores, concordan perfectamente co Principio de universalidade do sabor leptónico.

Ver máis…

AUTORES

Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) pola Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembroe de 2015. Estivo vencellado ao Depto de Física de Partículas da USC como becario "Juan de la Cierva", "Ramon y Cajal" (Spanish Postdoctoral Senior Grants), e Profesor Contratado Doutor.  Desde 2023 é Profesor Titular de Universidade nese Departamento (ORCID).

Ramon Cid Manzano, foi catedrático de Fïsica e Química no IES de SAR (Santiago - España), e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentais da Facultade de Educación da Universidad de Santiago (España), ata o seu retiro en 2020. É licenciado en Física, licenciado en Química, e Doutor pola Universidad de Santiago (USC).(ORCID).


CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Experimental Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC


LHC

Detector CMS

Detector ATLAS

Detector ALICE

Detector LHCb

Detector TOTEM

Detector LHCf

Detector MoEDAL

Detector FASER

Detector SND@LHC

 


NOTA IMPORTANTE

Toda a Bibliografía que foi consultada para esta Sección está indicada na Sección de Referencias

 


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO |

···