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EL MODELO ESTANDAR DE LA FISICA ACTUAL JAVIER DE LUCAS
Descubierto por C.N.Yang y su discípulo R.L.Mills en 1954, el Campo de Yang-Mills es una generalización del Campo de Maxwell, introducido un siglo antes por James Clerck Maxwell, el precursor de las Teorías de Campos. Veinte años después de que fuera propuesto el Campo de Yang-Mills, Gerardus ´tHooft demostró que es una Teoría perfectamente definida de interacciones entre partículas. Hoy, el Campo de Yang-Mills ha hecho posible una Teoría Global de toda la materia, que se conoce como Modelo Estándar
El Modelo Estándar de la Física de partículas es una Teoría que describe tres de las cuatro interacciones fundamentales conocidas (Electromagnética, Nuclear Fuerte y Nuclear Débil) entre partículas elementales que componen toda la materia. Es una Teoría Cuántica de Campos que es consistente con la Mecánica Cuántica y la Relatividad Especial. Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el Modelo Estándar están de acuerdo con sus predicciones
El Universo puede explicarse a partir de: 12 leptones 3 bosones W+,W-, Z 36 quarks 8 gluones 1 fotón ...y 1 o más bosones de Higgs TOTAL: 61 partículas...o más.
El Modelo Estándar agrupa dos Teorías importantes: el Modelo Electrodébil (Electrodinámica Cuántica) QED y la Cromodinámica Cuántica QCD lo que proporciona una teoría internamente consistente que describe las interacciones entre todas las partículas observadas experimentalmente. Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el Modelo Estándar
ELECTRODINAMICA CUANTICA La Teoría de Weinberg-Salam muestra que el electromagnetismo y la interacción débil son lo mismo en tanto que surgen del intercambio de la misma familia de partículas En 1971, el físico holandés Gerard t´Hooft mostró que la adición del bosón Z0 proporcionaba el tipo justo de infinitos que eliminaban los W+ y W-, y que la Teoría que incluía a los tres era renormalizable. El resultado final de la Teoría es reducir el número de fuerzas fundamentales de cuatro a tres: gravedad, nuclear fuerte y electrodébil.
CROMODINAMICA CUANTICA Además de carga eléctrica, las partículas pueden llevar cargas de “color” de tres tipos: rojo, azul y verde. Los quarks solo pueden reunirse en conjuntos cuyo “color” sea blanco. La QCD proporciona una teoría de la interacción de los quarks que satisface el principio de simetría gauge, lo que unifica la interacción fuerte con la electrodébil. La QED y la QCD se unifican a 1015 GeV
FERMIONES PARTICULAS DE MATERIA Según el Modelo Estándar toda la materia conocida esta constituida de partículas que tienen una propiedad intrínseca llamada espín cuyo valor es 1/2. En los términos del Modelo Estándar todas las partículas de materia son fermiones. Por esta razón, siguen el principio de exclusión de Pauli de acuerdo con el teorema de la estadística del spin, y es lo que causa su calidad de materia. Aparte de sus antipartículas asociadas, el Modelo Estándar explica un total de doce tipos diversos de partículas de materia. Seis de éstos se clasifican como quarks (up, down, strange, charm, top y bottom, cada uno con tres “colores”), y los otros seis como leptones (electrón, muón, tau, y sus neutrinos correspondientes), más sus correspondientes antipartículas. En total, 48 partículas.
FAMILIA 1 Partícula Masa Carga eléctrica Carga débil Carga fuerte Electrón 0’00054 -1,00 -1 / 2 0 Neutrino del electrón < 10-8 0 1 / 2 0 Quark arriba 0’0047 2 / 3 1 / 2 Rojo Verde Azul Quark abajo 0’0074 -1 / 3 -1 / 2 Rojo Verde Azul Las partículas de la materia también llevan cargas que las hacen susceptibles a las fuerzas fundamentales. Pares de cada grupo (un quark tipo up, un quark tipo down, un lepton tipo down y su neutrino correspondiente) forman las familias. Las partículas correspondientes entre cada familia son idénticas la una a la otra, a excepción de su masa y de su “sabor”.
FAMILIA 2 Partícula Masa Carga eléctrica Carga débil Carga fuerte Muón 0’11 -1,00 -1 / 2 0 Neutrino del muón < 0’0003 0 1 / 2 0 Quark encanto 1’6 2 / 3 1 / 2 rojo,verde,azul Quark extraño 0’16 -1 / 3 -1 / 2 rojo,verde,azul
FAMILIA 3 Partícula Masa Carga eléctrica Carga débil Carga fuerte Tau 1’9 -1,00 -1 / 2 0 Neutrino del tau < 0’033 0,00 1 / 2 0 Quark cima 189’00 2 / 3 1 / 2 rojo,verde,azul Quark fondo 5’2 -1 / 3 -1 / 2 rojo,verde,azul
No mucho después de descubrirse experimentalmente que los neutrinos existen, se descubrió que no hay un neutrino, sino tres: uno asociado al electrón y otros dos asociados a otros dos leptones (el muón y el tauón. Cada neutrino puede tomar parte en las reacciones nucleares en las que aparece su leptón particular. Por lo tanto, no basta con decir “neutrino”, sino que hay que especificar: existe un neutrino electrónico, un neutrino muónico y un neutrino tauónico. Por ejemplo, en la desintegración beta se produce un electrón, de modo que el neutrino que ahí toma parte tiene que ser un neutrino electrónico. Además, el neutrino tiene una antipartícula, el antineutrino. De hecho, hoy sabemos que la partícula que propuso Pauli para explicar la desintegración de un neutrón en un protón y un electrón no es un neutrino: es un antineutrino electrónico.
Interacción Grupo gauge Bosón Símbolo Fuerza relativa Electromagnética U(1) fotón f fem = 1/137 Débil SU(2) bosones intermedios W±, Z0 wweak = 1,02 · 10-5 Fuerte SU(3) gluones (8 tipos) g gs(MZ) = 0,121 BOSONES PARTÍCULAS MEDIADORAS DE FUERZAS El Modelo Estándar explica las fuerzas como el resultado del intercambio de otras partículas por parte de las partículas de materia, conocidas como partículas mediadoras fuerza. Los fotones median la fuerza electromagnética entre las partículas eléctricamente cargadas. El fotón no tiene masa y está descrito por la teoría de la electrodinámica cuántica. Los bosones de gauge W+, W–, y Z0 median las interacciones nucleares débiles entre las partículas de diversos sabores (todos los quarks y leptones). Son masivos, con el Z0 más masivo que los W. Estos tres bosones gauge junto con los fotones se agrupan juntos y median colectivamente las interacciones electrodébiles.
Los ocho gluones median las interacciones nucleares fuertes entre las partículas cargadas con color (los quarks). Los gluones no tienen masa. La multiplicidad de los gluones se etiqueta por las combinaciones del color y de una carga de anticolor (es decir, Rojo-anti-Verde). Como los gluones tienen una carga efectiva de color, pueden interactuar entre sí mismos. Los gluones y sus interacciones se describen mediante la QCD (Teoría de la Cromodinámica Cuántica)
HADRONES LA MATERIA
El Modelo Estándar no es la “teoría final”. El Modelo Estándar no incluye a la gravedad. Además, aunque no está claro dónde están los límites, parece probable que para energías muy grandes (mucho mayores que las que experimentamos en la vida cotidiana) el Modelo Estándar no es válido. Sin embargo, estas limitaciones son conocidas desde el principio, y el Modelo Estándar es, conscientemente, una teoría parcial. Sin embargo, antes incluso de que existiera el modelo formalmente, ya se vio un problema teórico importante. La forma más sencilla del Modelo Estándar que podía proponerse, la que tenía el menor número de suposiciones posibles y la mayor sencillez matemática, era de una gran belleza y coherencia, salvo por un pequeño problema: según la forma sencilla del modelo, todas las partículas deberían tener masa nula y moverse, siempre, a la velocidad de la luz. Por supuesto, nadie supuso que la “forma simple” del Modelo fuera la correcta. Es evidente que hay muchas partículas que sí tienen masa, y que nunca se mueven a la velocidad de la luz. De hecho, sólo algunas no tienen masa, y son justo ésas las que sí se mueven siempre a la velocidad de la luz. La pregunta inmediata que se hicieron los científicos, naturalmente, fue ¿por qué? Si la versión simple del modelo no funcionaba, es que faltaba algo más: una extensión al modelo, algún tipo de mecanismo por el que pudiera deducirse la existencia de la masa. La respuesta a este problema fue dada por varios físicos casi al mismo tiempo, en varios equipos y de manera independiente, en 1964. Entre ellos se encuentran Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnik, C. R. Hagen, Tom Kibble y sobre todos Peter Higgs
BOSON DE HIGGS La “masa” de todas las partículas conocidas es el nombre que damos a la intensidad de su interacción con el campo de Higgs. El propio concepto de “masa” es una forma de referirnos a algo más profundo y fundamental: la interacción mayor o menor de cada partícula con el campo de Higgs. La partícula asociada al Campo de Higgs es una partícula elemental escalar masiva hipotética predicha por el Modelo Estándar, y la única partícula fundamental predicha por ese Modelo que no se ha observado completamente hasta ahora. Esto es en parte porque requiere una cantidad excepcionalmente grande de energía para crearla y observarla bajo circunstancias de laboratorio. No tiene ningún spin intrínseco, y (como las partículas mediadoras de fuerza) se clasifica así como bosón. El boson de Higgs desempeña un papel único en el Modelo Estándar, y un papel dominante en explicar los orígenes de la masa de otras partículas elementales, particularmente la diferencia entre el fotón sin masa y los bosones pesados W y Z.
Cantidad Medida (GeV) Predicción del MS (GeV) Masa del bosón W 80.4120±0.0420 80.3900±0.0180 Masa del bosón Z 91.1876±0.0021 91.1874±0.0021 El Modelo Estándar predecía la existencia de los bosones W y Z, el gluón, y los quarks top y charm antes de que esas partículas hubiesen sido observadas. Sus propiedades predichas fueron experimentalmente confirmadas con gran precisión. El Large Electron-Positron collider (LEP) en el CERN probó varias predicciones entre los decaimientos de los bosones Z, y las confirmó. Para obtener una idea del éxito del Modelo Estándar una comparación entre los valores medidos y predichos de algunas cantidades se muestran en la siguiente tabla:
RESUMEN REQUERIMIENTOS DEL MODELO ESTANDAR 1.- 36 quarks que se presentan en 6 sabores y 3 colores y sus réplicas en antimateria para describir las interacciones fuertes. 2.- Ocho camplos de Yang-Mills para describir los gluones que ligan los quarks 3.- Cuatro campos de Yang-Mills para describir las fuerzas débil y electriomagnética. 4.- Seis tipos de leptones para describir las interacciones débiles (incluyendo el electrón, el muón, el leptón tau y sus respectivos neutrinos). 5.- Un gran número de partículas de Higgs necesarias para ajustar las masas y las constantes que describen a las partículas. 6.- Al menos 19 constantes arbitrarias que describen las masas de las partículas y las intensidades de las diversas interacciones. Estas 19 constantes deben ser introducidas, no están determinadas por la teoría.
Incluso cuando el Modelo Estándar ha tenido gran éxito en explicar los resultados experimentales, tiene dos defectos importantes: El modelo contiene 19 parámetros libres, tales como las masas de las partículas, que deben ser determinados experimentalmente (además de 10 para las masas de los neutrinos). Esos parámetros no pueden ser calculados independientemente. El modelo no describe la fuerza gravitatoria. Dentro de él, la materia y la antimateria son simétricas. La preponderancia de la materia en el Universo podría ser explicada diciendo que el Universo comenzó con otras condiciones iniciales, pero la mayoría de los físicos piensan que esta explicación no es elegante. Este Modelo tampoco explica porqué un cuerpo sólido es sólido. Si se representa un átomo a una escala en la que los neutrones y protones tuviesen 10 cm de diámetro, los quarks y electrones tendrían 1 mm de diámetro mientras que el átomo llegaría a tener 10 km de diámetro. Esto es, casi el 100% del átomo está vacío. También hay que tener en cuenta que la distancia entre los átomos que forman moléculas hay aún un porcentaje mayor de vacío. Existen alternativas al Modelo Estándar que intentan dar respuesta a estos "fallos", fundamentalmente Las Teorías de Cuerdas. Pero esto es otra historia...
Murray Gell-Mann y George Zweig introdujeron la idea de los quarks. Sugirieron que los mesones y los bariones están compuestos por quarks o antiquarks de tres tipos, llamados up, down y strange (u, d, s), con spin 1/2 y cargas eléctricas 2/3, -1/3, -1/3, respectivamente (resulta que esta teoría no es completamente exacta). Ya que estas cargas nunca han sido observadas, la introducción de los quarks fue tratada como una explicación matemática de los patrones de sabor, seguidos por las masas de las partículas, más que como un postulado de existencia de objetos físicos reales. Más tarde, los desarrollos teóricos y experimentales, nos permitieron considerar a los quarks como objetos físicos reales, aunque no puedan ser aislados. Ya que los leptones tenían cierto patrón, varios trabajos sugirieron la existencia de un cuarto quark, con otro sabor, para que el patrón de los quarks sea similar al de los leptones; actualmente los sabores se llaman generaciones de materia. Muy pocos físicos tomaron seriamente esta sugerencia en ese momento. Sheldon Glashow y James Bjorken acuñaron el término "charm" (encanto) para el cuarto (c) quark. CRONOLOGIA 1964
O.W. Greenberg, M.Y. Han, y Yoichiro Nambu introdujeron la propiedad de carga de color del quark. Todos los hadrones observados son de color neutro. El modelo del quark es aceptado en forma relativamente lenta, debido a que los quarks no han sido observados. Steven Weinberg y Abdus Salam separadamente propusieron una teoría que unifica las interacciones electromagnéticas y débiles formando la interacción electrodébil. Sus teorías requieren la existencia de un bosón neutro, que interactúa en forma débil (ahora llamado el Z0)y que sea el mediador de la interacción débil; ese bosón no había sido observado aún en aquel tiempo. Ellos también predijeron la existencia de un bosón, masivo, adicional, llamado el bosón de Higgs que no ha sido aún observado hoy día. En el Acelerador Lineal de Stanford, en un experimento en el cual se hace que los electrones sean dispersados por protones, los electrones parecen "rebotar" contra un pequeño centro duro dentro del protón. James Bjorken y Richard Feynman analizaron estos datos en términos de un modelo de partículas constituyentes dentro del protón (ellos no usaron el nombre "quark" para los constituyentes, aunque igualmente este experimento proporcionó evidencia para los quarks.) Sheldon Glashow, John Iliopoulos, y Luciano Maiani reconocieron la importancia crítica de un cuarto tipo de quark en el contexto del Modelo Standard. Un cuarto quark permite una teoría que tiene interacciones débiles mediadas por un Z0, con cambio de sabor. CRONOLOGIA 1965-70
Donald Perkins, estimulado por una predicción del Modelo Standard, volvió a analizar algunos datos viejos del CERN y encontró indicadores de interacciones debiles sin intercambio de carga de color(debida al intercambio de un Z0.) Fue formulada una teoría cuántica de campos, para las interacciones fuertes. Esta teoría de quarks y gluones (que ahora es parte del Modelo Standard) es similar, en su estructura, a la electrodinámica cuántica (QED), pero dado que las interacciones fuertes actúan sobre las cargas de color, esta teoría se llama cromodinámica cuántica (QCD). Los quarks están destinados a ser partículas reales, con una carga de color. Los gluones son los cuantos, sin masa, del campo de las interacciones fuertes. Esta teoría de interacciones fuertes fue primero sugerida por Harald Fritzsch y Murray Gell-Mann. David Politzer, David Gross, y Frank Wilczek descubrieron que la teoría de color de las interacciones fuertes tiene una propiedad especial, hoy llamada "libertad asintótica." Esta propiedad es necesaria para describir los datos de 1968-69 en relación con el protón. CRONOLOGIA 1973
En una conferencia, John Iliopoulos presentó, por primera vez en un único informe, la visión de la Física ahora llamada el Modelo Standard. Gerson Goldhaber y Francois Pierre encontraron el mesón D0 (y los quarks antiup y charm). Las predicciones teóricas concordaron exactamente con los resultados experimentales, ofreciendo un fuerte soporte al Modelo Standard. Burton Richter y Samuel Ting, liderando experimentos independientes, anunciaron el mismo día su descubrimiento de la misma nueva partícula. Ting y sus colaboradores en Brookhaven llamaron a esta partícula la partícula "J", mientras que Richter y sus colaboradores en SLAC llamaron a esta partícula la partícula psi. Ya que los descubrimientos tuvieron igual importancia, la partícula es conocida comúnmente como la partícula J/psi. La partícula J/psi es un mesón charm-anticharm. El leptón tau fue descubierto por Martin Perl y sus colaboradores en SLAC. Ya que este leptón es la primer partícula registrada de la tercera generación, fue completamente inesperado. CRONOLOGIA 1974-6
Leon Lederman y sus colaboradores en el Fermilab descubrieron sin embargo otro quark (y su antiquark). Este quark fue llamado el quark "bottom". Ya que los físicos se imaginaban que los quarks venían en pares, este descubrimiento incentivó la búsqueda del sexto quark -- "top." Charles Prescott y Richard Taylor observaron una interacción débil mediada por un Z0, en la dispersión por deuterio, de electrones polarizados, en la que aparece una violación de la conservación frente a la paridad, como lo predijo el Modelo Standard y confirmando así la predicción teórica. Se encuentra en PETRA una fuerte evidencia de un gluón radiado por un quark o antiquark iniciales. PETRA es un contenedor de colisión de haces de partículas del laboratorio DESY en Hamburgo. CRONOLOGIA 1977-9
Los bosones intermediarios, W± y el Z0, requeridos por la teoría electrodébil, son observados en dos experimentos que usan el sincrotrón del CERN y que emplean las técnicas desarrolladas por Carlo Rubbia y Simon Van der Meer para colisionar protones y antiprotones. Los experimentos llevados a cabo en SLAC y en CERN sugirieron fuertemente que hay tres y sólo tres generaciones de partículas fundamentales. Ésto se infiere de la observación que el tiempo de vida del bosón Z0-, sólo es consistente con la existencia de exactamente tres neutrinos muy livianos (o sin masa). Después de dieciocho años de búsqueda en muchos aceleradores, los experimentos CDF y D0 en el Fermilab descubrieron el quark top con una masa inesperada de 175 GeV. Nadie entiende por qué la masa es tan diferente de la de los otros cinco quarks. CRONOLOGIA 1983-95
EL MODELO ESTANDAR DE LA FISICA ACTUAL FIN
