Modelo estándar de la física de partículas
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El modelo de partículas es una teoría cuántica de campos[1][2] desarrollada entre 1970 y 1973 [cita requerida] basada en las ideas de la unificación y simetrías[3] que describe la estructura fundamental de la materia y el vacío considerando las partículas elementales como entes irreducibles y como 'cuantos' de los campos (paquetes de la energía y el impulso de los campos) cuya cinemática está regida por las cuatro interacciones fundamentales conocidas (exceptuando la gravedad, cuya principal teoría, la relatividad general, no encaja con los modelos matemáticos del mundo cuántico).[2] La palabra "modelo" en el nombre viene de la década de 1970 cuando no había suficiente evidencia experimental que confirmara el modelo.[3] Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el modelo estándar están de acuerdo con sus predicciones. Sin embargo el modelo estándar no alcanza a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales debido a varias cuestiones sin resolver.
A principios del siglo XX, el problema de reducir las leyes que gobiernan el comportamiento y la interacción de todas las interacciones fundamentales de la materia seguía siendo un problema no resuelto. El trabajo teórico realizado durante el siglo XX, llevó a una teoría que reducía a un esquema común el electromagnetismo y la fuerza débil, y se poseía un modelo adecuado de la fuerza fuerte. Sin embargo, a pesar de diversas propuestas prometedoras existían tres teorías diferentes para explicar las diferentes interacciones fundamentales, a saber:
- Teoría electrodébil
- La teoría o modelo electrodébil unifica la interacción electromagnética con la materia, la electrodinámica cuántica, con la fuerza nuclear débil, las cuales fueron formuladas en principio de forma independiente.
- La electrodinámica cuántica se origina en 1927 en un apéndice de un artículo de Born, Heisenberg y Jordan sobre mecánica matricial en la que este último quantiza el campo electromagnético libre. Fue subsecuentemente desarrollado por Dirac, Jordan, Pauli, Heisenberg y otros y culminó antes de 1950 en un trabajo de Tomonaga, Schwinger, Feynman y Dyson. El cálculo del desplazamiento Lamb y el valor exacto de la razón giromagnética del electrón son las predicciones destacables de la electrodinámica cuántica. La teoría de la fuerza nuclear débil empezó en 1932 con la teoría de Fermi para la desintegración beta. Las mejoras de la teoría para los nucleones fueron hechas en la teoría V-A que tiene en cuenta la violación de paridad. Sin embargo los cálculos teóricos de electrodinámica cuántica para el modelo de Fermi conducían a infinitos.
- El problema se superó entre 1961 y 1968 por Glashow, Weinberg, Salam y otros unificando las teorías electromagnéticas y nuclear débil.
- Cromodinámica cuántica
- La fuerza nuclear fuerte queda explicada como interacciones fuertes entre cuarks en la cromodinámica cuántica, formulada por Fritzsch, Gell-Man, Leutwyler, y luego por t'Hooft y otros. Esta teoría supone tres "cargas fuertes" como fuente de las fuerzas.
- Teoría general de la relatividad
- Desarrollada originalmente por Einstein, es la culminación de la mecánica clásica quedando enmarcado en una misma teoría la gravitación y la mecánica.
Frente a este panorama, el Modelo Estándar agrupa, pero no unifica, las dos primeras teorías –el modelo electrodébil y la cromodinámica cuántica– lo que proporciona una teoría internamente consistente que describe las interacciones entre todas las partículas observadas experimentalmente.
Precedentes
Como antecedentes del modelo estándar se pueden citar a la teoría de campos y la teoría atómica.
La teoría atómica supone que la materia está constituida por entes indivisibles. Los descubrimientos de J. J. Thomson sobre el electrón y de E. Rutherford sobre el núcleo atómico dieron un mejor entendimiento de la estructura interna del átomo dando lugar a la física electrónica y la física nuclear respectivamente.
Teoría de campos
La primera, iniciada por M. Faraday,[cita requerida] es la mejor explicación a la acción a distancia. En un entendimiento clásico de la naturaleza hay tres fenómenos que presentan una acción a distancia: electricidad, magnetismo y gravedad. Las primeras dos se consideraron fuerzas independientes hasta que H. C. Ørsted descubrió que la corriente eléctrica y el magnetismo estaban relacionados.[cita requerida] J. C. Maxwell describe matemáticamente la relación mutua entre los campos eléctricos y magnéticos dando un marco teórico completo para la teoría electromagnética. Finalmente A. Einstein unificó ambos campos motivado por la aparente asimetría al aplicar las ecuaciones de Maxwell a cuerpos en movimiento.[4] Un esfuerzo posterior lo llevó a generalizar esta teoría para cuerpos acelerados y el campo gravitatorio en la teoría general de la Relatividad.
En la teoría clásica de campos se modela la acción a distancia entre cuerpos puntuales mediante un campo continuo que toma, transporta y cede energía de y a los cuerpos. Actualmente en física de partículas, la dinámica de la materia y de la energía en la naturaleza se entiende mejor en términos de cinemática e interacciones de partículas fundamentales.[cita requerida] Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el modelo estándar. El modelo estándar describe cada tipo de partícula en términos de un campo matemático.[aclaración requerida] Sin embargo, este marco no hace una distinción esencial entre campo y partícula: ambos pueden ser descritos por una función continua en el espacio o bien como partículas puntuales.[cita requerida] Ninguno de los anteriores ofrece una explicación satisfactoria.[5] Para una descripción técnica de los campos y de sus interacciones, ver la Teoría cuántica de campos.
Simetría de la función de onda | Estadística | Cuánto del campo | Tipo de campo | Spin | Ejemplos | Interpretación |
---|---|---|---|---|---|---|
Bose-Einstein | Bosón | Bosónico | Entero | Campo escalar, campo "gauge" | Las partículas del campo pueden compartir el mismo estado de energía y formar un condensado. En mismo volumen pueden existir arbitrariamente muchos bosones. Dota a la materia de su masa. | |
Fermi-Dirac | Fermión | Fermiónico | Semientero | Campo espinoral: Fermión de Dirac, fermión de Majorana, fermión de Weyl | En un mismo volumen pueden existir una limitada cantidad de partículas del campo, obedeciendo al principio de exclusión de Pauli. Dota a la materia de volumen e impenetrabilidad. |
Física electrónica
La teoría cuántica del electrón ideada por Paul Dirac describe al electrón a velocidades relativistas. De esta se desprende la idea del spin en forma natural como parte de la solución a la formulación relativista de ecuación de Schrödinger. Este esfuerzo excedió las expectativas, no solo explicando el espectro de ciertos átomos[¿cuál?] sino la predicción confirmada en 1932 de electrones con carga positiva: los positrones. Sin embargo, estas ecuaciones describen al electrón como un único electrón o un gas ideal de electrones, y también que el campo eléctrico del electrón es despreciable con respecto al que está inmerso.[cita requerida] La investigación teórica sobre la interacción del electrón con el campo electromagnético y entre electrones da lugar a la electrodinámica cuántica. Esta última se la considera sumamente exitosa por el grado de precisión de sus predicciones.[cita requerida]
Los métodos y conceptos utilizados en la electrodinámica cuántica dieron lugar a la teoría cuántica de campos y sentó las bases sobre la que se apoya el modelo estándar.[cita requerida]
Simetrías
Las simetrías son invarianzas ante transformaciones. El teorema de Noether establece una correspondencia entre una simetría y una ley de conservación, es decir establece una razón fundamental por la cual se observa la conservación de ciertas magnitudes.
Transformación espacio-temporal | Magnitud conservada |
---|---|
Traslación especial | Momento lineal |
Rotación | Momento angular |
Traslación temporal | Energía |
Simetrías Discretas
Wolfgang Pauli y Julian Schwinger independientemente, demostraron que la invariancia bajo las transformaciones de Lorentz, implica una invariancia CPT.[6] Esto es, los campos cuánticos relativistas son invariantes ante el cambio de partícula por su antipartícula y viceversa (Simetría C), invariantes ante la inversión especular (Simetría P) e invariantes ante la inversión temporal (Simetría T).
Transformación de Paridad | |||
---|---|---|---|
Leptones levógiros | Leptones dextrógiros | ||
Conjugación de carga | Materia | ||
Antimateria |
Sin embargo, se verificó experimentalmente que la interacción nuclear débil viola la simetría P: se comporta diferente a su imagen especular. Esto supuso que otra simetría es violada para restaurar la simetría CPT.[cita requerida] De esta manera la simetría CP y la simetría T se supusieron fundamentales.[cita requerida] Experimentos sobre el kaón demostraron que el sector cuark viola la simetría CP, consecuentemente la simetría T, aunque esta última no pudo ser verificada experimentalmente debido a su dificultad.[cita requerida]
Simetrías Internas
Las simetrías internas tienen un rol importante en el modelo estándar ya que de ellas se desprende la conservación de carga y define inequívocamente la interacción entre partículas.[7]
Tipo | Consecuencias[8] |
---|---|
Global y exacta | Conservación de carga |
Global y espontáneamente rota | Campos escalares sin masa |
Local y exacta | Interacciones. Bosones mediadores sin masa. |
Local y espontáneamente rota | Interacciones. Bosones mediadores masivos. |
La intensidad de la interacción queda determinada por el acoplamiento del fermión al campo gauge. Este acoplamiento coincide con la carga eléctrica en la electrodinámica cuántica y por extensión de las cargas de los fermiones cargados. Debido al teorema de Noether a la simetría introducida le corresponde una conservación de carga. La ecuación de Yang-Mills generaliza la electrodinámica cuántica introduciendo nuevas simetrías gauge. Estas simetrías introducen un nuevo bosón, que media la fuerza correspondiente.[aclaración requerida]
Transformación gauge | Conservación | Interacción | Bosón |
---|---|---|---|
U(1) | Carga eléctrica | Electromagnética | Fotón |
SUL(2)×UY(1) | Hipercarga débil e Isospín débil [cita requerida] | Electrodébil | W1,W2,W3,B |
SU(3) | Carga de color | Nuclear fuerte | Gluón |
Ruptura espontánea de simetría
Si bien el modelo es perfectamente simétrico, la evidencia experimental demuestra que la realidad no es así, principalmente porque la inclusión de masa en el modelo rompe estas simetrías, pero existe la evidencia empírica que demuestra que las partículas son masivas. Esto puso en evidencia una ruptura espontánea de simetría para el modelo electrodébil.
Para facilitar la descripción, los términos del lagrangiano del modelo estándar se pueden agrupar como se indica en la tabla:[9]
Bosones | Fermiones | |||
---|---|---|---|---|
Sector Gauge | Sector Higgs | Sector Leptón | Sector cuark | |
Cinemática de los fermiones | ||||
Términos de masa | Acoplamiento Yukawa con el bosón de Higgs | |||
Sector electrodébil | Interacción electrodébil | |||
Cromodinámica cuántica | Campo gluón | Interacción fuerte | ||
Sector Higgs | ||||
El modelo estándar incluye tres campos bosónicos B, W y G correspondientes a las simetrías U(1), SU(2) y SU(3) respectivamente. Adicionalmente un bosón añadido para preservar la simetría en el sector electrodébil.[cita requerida][aclaración requerida] Luego de la ruptura espontánea de simetría electrodébil los bosones B y W se mezclan resultando en el campo electromagnético y el bosón neutro de la interacción nuclear débil .
Los fermiones en el modelo estándar se dividen en leptones y cuarks de acuerdo con su acoplamiento al campo color. Sin embargo, no existe razón fundamental para que esto sea así y se han formulado[¿quién?] extensiones al modelo para afrontar esta particularidad. Los leptones son , y y los cuarks son , , y . El neutrino dextrógiro no ha sido observado y puede ser por dos razones: o bien el neutrino dextrógiro es muy masivo[cita requerida] o bien el neutrino es un fermión de Majorana y consecuentemente el antineutrino dextrógiro observado es idéntico al neutrino dextrógiro.[aclaración requerida][cita requerida] Los fermiones reales resultan de la composición de la componente levógira y la dextrógira. Bajo la interacción electrodébil forman dobletes levógiros (subíndice L) o singletes dextrógiros (subíndice R).[aclaración requerida] Implícitamente cada fermión tiene un componente por generación.[aclaración requerida] Los fermiones de Dirac están compuestos por un fermión levógiro y otro dextrógiro.