Modelu estándar de la física de partícules

El modelu estándar de la física de partícules ye una teoría relativista de campos cuánticos desenvuelta ente 1970 y 1973 basada nes idees de la unificación y simetríes que describe la estructura fundamental de la materia y el vacíu considerando les partícules elementales como entes irreducibles que la so cinemática ta rexida poles cuatro interaiciones fundamentales conocíes. La pallabra "modelu" nel nome vien del periodu de los 70 cuando nun había abonda evidencia esperimental que confirmara'l modelu. Hasta la fecha, casi toes les pruebes esperimentales de los trés fuercies descrites pol modelu estándar tán acordies coles sos predicciones. Sicasí, el modelu estándar nun algamar a ser una teoría completa de les interaiciones fundamentales por cuenta de delles cuestiones ensin resolver.

Introducción A principios del sieglu XXI, el problema d'amenorgar les lleis que gobiernen el comportamientu y la interaición de toles interaiciones fundamentales de la materia siguía siendo un problema non resueltu. El trabayu teóricu mientres el sieglu XX, llevó a una teoría qu'amenorgaba a un esquema común l'electromagnetismu y la fuercia débil, y teníase un modelu fayadizu de la fuercia fuerte. Sicasí, a pesar de diverses propuestes prometedores esistíen tres teoríes distintes pa esplicar les distintes interaiciones fundamentales, a saber: Teoría electrodébil La teoría o modelu electrodébil unifica la interaición electromagnética cola materia, la electrodinámica cuántica, cola fuercia nuclear débil, que fueron formulaes en principiu de forma independiente. La electrodinámica cuántica aniciar en 1927 nun apéndiz d'un artículu de Born, Heisenberg y Jordan sobre mecánica matricial na qu'esti postreru quantiza el campu electromagnéticu llibre. Foi subsiguientemente desenvueltu por Dirac, Jordan, Pauli, Heisenberg y otros y remató antes de 1950 nun trabayu de Tomonaga, Schwinger, Feynman y Dyson. El cálculu del desplazamientu Lamb y el valor exactu de la razón giromagnética del electrón son les predicciones destacables de la electrodinámica cuántica. La teoría de la fuercia nuclear débil empezó en 1932 cola teoría de Fermi pa la desintegración beta. Les meyores de la teoría pa los nucleones fueron feches na teoría V-A que tien en cuenta la violación de paridá. Sicasí los cálculos teóricos d'electrodinámica cuántica pal modelu de Fermi conducíen a infinitos. El problema superar ente 1961 y 1968 por Glashow, Weinberg, Salam y otros unificando les teoríes electromagnéticu y nuclear débil. Cromodinámica cuántica La fuercia nuclear fuerte queda esplicada como interaiciones fuertes ente quarks na cromodinámica cuántica, formulada por Fritzsch, Gell-Man, Leutwyler, y depués por t'Hooft y otros. Esta teoría supón trés "cargues fuertes" como fonte de les fuercies. Teoría xeneral de la relatividá Desenvuelta orixinalmente por Einstein, ye la culminación de la mecánica clásica quedando enmarcáu nuna mesma teoría la gravitación y la mecánica. Frente a esti panorama, el Modelu Estándar arrexunta, pero nun unifica, les dos primeres teoríes –el modelu electrodébil y la cromodinámica cuántica– lo qu'apurre una teoría internamente consistente que describe les interaiciones ente toles partícules reparaes esperimentalmente.

Precedentes Como antecedentes del modelu estándar pueden citase a la teoría de campos y la teoría atómica.

La teoría atómica supón que la materia ta constituyida por entes indivisibles. Los descubrimientos de J. J. Thomson sobre'l electrón y de Y. Rutherford sobre'l nucleu atómicu dieron un meyor entendimientu de la estructura interna del átomu dando llugar a la física electrónica y la física nuclear respeutivamente.

Teoría de campo

La primera, empecipiada por M. Faraday, ye la meyor esplicación a l'aición a distancia. Nun entendimientu clásicu de la naturaleza hai tres fenómenos que presenten una aición a distancia: lletricidá, magnetismu y gravedá. Les primeres dos consideráronse fuercies independientes hasta qu'H. C. Ørsted afayó que la corriente llétrica y el magnetismu taben rellacionaos. J. C. Maxwell describi matemáticamente la rellación mutua ente los campos llétricu y magnéticu dando un marcu teóricu completu pa la teoría electromagnética. Finalmente A. Einstein unificó dambos campos motiváu pola aparente asimetría al aplicar les ecuaciones de Maxwell a cuerpos en movimientu. Un esfuerciu posterior llevar a xeneralizar esta teoría pa cuerpos aceleraos y el campu gravitatorio na teoría xeneral de la Relatividá.

Na teoría clásica de campos modélase l'aición a distancia ente cuerpos puntuales por aciu un campu continuu que toma, tresporta y dexa enerxía de y a los cuerpos. Anguaño en física de partícules, la dinámica de la materia y de la enerxía na naturaleza entiéndese meyor en términos de cinemática ya interaiciones de partícules fundamentales. Téunicamente, la teoría cuántica de campos apurre'l marcu matemáticu pal modelu estándar. El modelu estándar describe cada tipu de partícula en términos d'un campu matemático. Sicasí, esti marcu nun fai una distinción esencial ente campu y partícula: dambos pueden ser descritos por una función continua nel espaciu o bien como partícules puntuales. Nengunu de los anteriores ufierta una esplicación satisfactoria. Pa una descripción téunica de los campos y de les sos interaiciones, ver la Teoría cuántica de campos. Simetría de la función d'ondaEstadísticaCuánto del campu !Tipu de campu !SpinExemplosInterpretaciónBose-EinsteinBosónBosónicoCampu esguilar, campu "gauge"Les partícules del campu pueden compartir el mesmu estáu d'enerxía y formar un entestaos. En mesmu volume pueden esistir arbitrariamente munchos bosones. Dota a la materia de la so masa.Fermi-DiracFermiónFermiónicoSemienteroCampu espinoral: Fermión de Dirac, fermión de Majorana, fermión de WeylNun mesmu volume pueden esistir una llindada cantidá de partícules del campu, obedeciendo al principiu d'esclusión de Pauli. Dota a la materia de volume y impenetrabilidad.

Física electrónica La teoría cuántica del electrón escurrida Paul Dirac describe al electrón a velocidaes relativistes. D'ésta esprende la idea del spin en forma natural como parte de la solución a la formulación relativista d'ecuación de Schrödinger. Esti esfuerciu entepasó les mires, non yá esplicando l'espectru de ciertos átomos sinón la predicción depués confirmada d'electrones con carga positiva: los positrones. Sicasí, estes ecuaciones describen al electrón como un únicu electrón o un gas ideal d'electrones, y tamién que'l campu llétricu del electrón ye despreciable con respectu al que ta somorguiáu. La investigación teórica sobre la interaición del electrón col campu electromagnéticu y ente electrones da llugar a la electrodinámica cuántica. Esta postrera considerar por demás esitosa pol grau de precisión de les sos predicciones.

Los métodos y conceutos utilizaos na electrodinámica cuántica dieron llugar a la teoría cuántica de campos y sentó les bases sobre la que se sofita'l modelu estándar.

Aspeutos clave

Simetríes Les simetríes son invarianzas ante transformación. El teorema de Noether establez una correspondencia ente una simetría y una llei de caltenimientu, ye dicir establez una razón fundamental pola cual reparar el caltenimientu de ciertes magnitúes. Transformación espacio-temporalMagnitú caltenidaTraslación espacialMomentu llinialRotaciónMomento angularTraslación temporalEnerxía

Simetríes Discretes Wolfgang Pauli y Julian Schwinger independientemente, demostraron que la invariancia so los tresformamientos de Lorentz, implica una invariancia CPT. Esto ye, los campos cuánticos relativistes son invariantes ante'l cambéu de partícula pola so antipartícula y viceversa (Simetría C), invariantes ante la inversión especular (Simetría P) y invariantes ante la inversión temporal (Simetría T). Tresformamientu de ParidáLeptones levógirosLeptones dextrógirosConxugación de cargaAntimateria

Sicasí, verificóse esperimentalmente que la interaición nuclear débil viola la simetría P: pórtase distintu a la so imaxe especular. Esto supunxo qu'otra simetría ye violada pa restaurar la simetría CPT. D'esta manera la simetría CP y la simetría T supunxéronse fundamentales. Esperimentos sobre'l kaón demostraron que'l sector quark viola la simetría CP, consecuentemente la simetría T, anque esta postrera nun pudo ser verificada esperimentalmente por cuenta de la so dificultá.

Simetríes Internes

Les simetríes internes tienen un rol importante nel modelu estándar yá qu'elles esprende la caltenimientu de carga y define inequívocamente la interaición ente partícules. +SimetríesTipu !Consecuencieshttps://webhome.weizmann.ac.il/home/yotams/notes/GNB-master.pdfGlobal y exactuCampos esguilares ensin masa Local y exactaInteraiciones. Bosones mediadores ensin masa.Interaiciones. Bosones mediadores masivos. La intensidá de la interaición queda determinada pol acoplamientu del fermión al campu gauge. Esti acoplamientu coincide cola carga llétrica na electrodinámica cuántica y por estensión se les cargues de los fermiones cargaos. Debíu al teorema de Noether a la simetría introducida correspuénde-y una caltenimientu de carga. La ecuación de Yang-Mills xeneraliza la electrodinámica cuántica introduciendo nueves simetríes gauge. Estes simetríes introducen un nuevu bosón, que media la fuercia correspondiente. Tresformamientu gaugeCaltenimientu !InteraiciónBosónO(1)Carga llétricaElectromagnéticaFotónEL SOL(2)×OY(1)Hipercarga débil y Isospín débil ElectrodébilW1,W2,W3,BEL SO(3)Carga de colorNuclear fuerteGluón

Rotura bonal de simetría Magar el modelu ye perfectamente simétricu, la evidencia esperimental demuestra que la realidá nun ye asina, principalmente porque la inclusión de masa nel modelu ruempe estes simetríes, pero esiste la evidencia empírica que demuestra que les partícules son masives. Esto punxo n'evidencia una rotura bonal de simetría pal modelu electrodébil.

Organización del modelu Pa facilitar la descripción, los términos del lagrangiano del modelu estándar pueden arrexuntase como s'indica na tabla: BosonesFermionesSector GaugeSector HiggsSector LeptónSector QuarkCinemática de los fermionesTérminos de masaAcoplamientu Yukawa col bosón de HiggsSector electrodébilInteraición electrodébilCromodinámica cuánticaCampu gluónInteraición fuerteSector Higgs El modelu estándar inclúi tres campos bosónicos B, W y G correspondientes a les simetríes O(1), LA SO(2) y LA SO(3) respeutivamente. Adicionalmente un bosón agregu pa caltener la simetría nel sector electrodébil. Depués de la rotura bonal de simetría electrodébil los bosones B y W entemécense resultando nel campu electromagnéticu y el bosón neutru de la interaición nuclear débil .

Los fermiones nel modelu estándar estremar en leptones y quarks acordies col so acoplamientu al campu color. Sicasí, nun esiste razón fundamental por que esto sía asina y formuláronse estensiones al modelu pa encarar esta particularidá. Los leptones son , y y los quarks son , , y . El neutrín dextrógiro nun foi reparáu y puede ser por dos razones: o bien el neutrín dextrógiro ye bien masivu o bien el neutrín ye un fermión de Majorana y consecuentemente el antineutrino dextrógiro reparáu ye idénticu al neutrín dextrógiro. Los fermiones reales resulten de la composición de la componente levógira y la dextrógira. So la interaición electrodébil formen dobletes levógiros (subíndice L) o singletes dextrógiros (subíndice R). Implícitamente cada fermión tien un componente por xeneración. Los fermiones de Dirac tán compuestos por un fermión levógiro y otru dextrógiro.

Partícules de materia thumb|250px|Representación artística d'un átomu d'Heliu 4 según el modelu estándar, amosar de color coloráu les interaiciones electromagnétiques y de color naranxa les Fuertes.|alt= Representación artística d'un átomu d'Heliu