Modelo estandar de particulas elementales
Definición
El Modelo Estándar de la física de partículas es la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas (las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes, y sin incluir la fuerza gravitacional) en el universo, así como la clasificación de todas las partículas elementales conocidas. Se desarrolló en etapas a lo largo de la segunda mitad del siglo XX, gracias al trabajo de muchos científicos de todo el mundo, y la formulación actual se finalizó a mediados de la década de 1970 tras la confirmación experimental de la existencia de los quarks. Desde entonces, la confirmación del quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012) han agregado una mayor credibilidad al modelo estándar. Además, el Modelo Estándar ha predicho varias propiedades de las corrientes débiles neutras y los bosones W y Z con gran precisión.
Aunque se cree que el Modelo Estándar es teóricamente autoconsistente y ha demostrado grandes éxitos al proporcionar predicciones experimentales, deja algunos fenómenos sin explicación y no llega a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales. No explica completamente la asimetría bariónica, incorpora la teoría completa de la gravitación como se describe en la relatividad general, o explica la expansión acelerada del Universo como posiblemente se describe por la energía oscura. El modelo no contiene ninguna partícula viable de materia oscura que posea todas las propiedades requeridas deducidas de la cosmología observacional. Tampoco incorpora oscilaciones de neutrinos y sus masas distintas de cero.
El desarrollo del Modelo Estándar fue impulsado por físicos de partículas teóricos y experimentales por igual. Para los teóricos, el Modelo Estándar es un paradigma de una teoría cuántica de campos, que exhibe una amplia gama de física que incluye la ruptura espontánea de simetría, anomalías y comportamiento no perturbativo. Se utiliza como base para construir modelos más exóticos que incorporan partículas hipotéticas, dimensiones extra y simetrías elaboradas (como la supersimetría) en un intento de explicar los resultados experimentales en desacuerdo con el Modelo Estándar, como la existencia de materia oscura y neutrinos. oscilaciones
Antecedentes históricos
El primer paso hacia el Modelo Estándar fue el descubrimiento de Sheldon Glashow en 1961 de una forma de combinar las interacciones electromagnéticas y débiles. En 1967 Steven Weinberg y Abdus Salam incorporaron el mecanismo de Higgs en la interacción electrodébil de Glashow, dándole su forma moderna.
Se cree que el mecanismo de Higgs da lugar a las masas de todas las partículas elementales en el Modelo Estándar. Esto incluye las masas de los bosones W y Z, y las masas de los fermiones, es decir, los quarks y leptones.
Después de que las corrientes débiles neutrales causadas por el intercambio del bosón Z se descubrieran en el CERN en 1973, la teoría electrodébil fue ampliamente aceptada y Glashow, Salam y Weinberg compartieron el Premio Nobel de Física en 1979 por descubrirlo. Los bosones W y Z fueron descubiertos experimentalmente en 1983; y se encontró que la proporción de sus masas era como predijo el Modelo Estándar.
La teoría de la interacción fuerte (es decir, la cromodinámica cuántica, QCD), a la que muchos contribuyeron, adquirió su forma moderna en 1973-74 cuando se propuso la libertad asintótica (un desarrollo que convirtió a QCD en el foco principal de la investigación teórica) y los experimentos confirmaron que los hadrones estaban compuestos de quarks cargados fraccionalmente.
El término "Modelo estándar" fue acuñado por primera vez por Abraham Pais y Sam Treiman en 1975, en referencia a la teoría electrodébil con cuatro quarks.
Visión de conjunto
En la actualidad, la materia y la energía se entienden mejor en términos de la cinemática y las interacciones de las partículas elementales. Hasta la fecha, la física ha reducido las leyes que rigen el comportamiento y la interacción de todas las formas conocidas de materia y energía a un pequeño conjunto de leyes y teorías fundamentales. Un objetivo principal de la física es encontrar el "terreno común" que uniría todas estas teorías en una sola teoría integrada de todo, de la cual todas las demás leyes conocidas serían casos especiales, y de la cual el comportamiento de toda la materia y energía podría ser derivado (al menos en principio).
Contenido de partículas
El Modelo Estándar incluye miembros de varias clases de partículas elementales, que a su vez se pueden distinguir por otras características, como la carga de color.
Todas las partículas se pueden resumir de la siguiente manera:
| Partículas elementales | |||||||||||||||||||||||||||||
| Fermions elementales Giromedio enteroObedece las estadísticas de Fermi-Dirac | Bosones elementales GiroenteroObedecer las estadísticas de Bose-Einstein | ||||||||||||||||||||||||||||
| Quarks y antiquarksSpin = 1/2Tener carga de colorParticipar en interacciones fuertes | Leptons y antileptonsSpin = 1/2Sin carga de colorInteracciones de Electroweak | Boss de medidorSpin ≠ 0Portadores de la fuerza | Bosones escalaresSpin = 0 | ||||||||||||||||||||||||||
Generaciones
| Generaciones
| Cuatro tipos (cuatro interacciones fundamentales)
| Bosón de Higgs (H) | ||||||||||||||||||||||||||
Notas:
1. El antielectrón (
e +
) es tradicionalmente llamado positrón.
2. Todos los bosones portadores de fuerza conocidos tienen spin = 1 y, por lo tanto, son bosones vectoriales. El hipotético gravitón tiene spin = 2 y es un bosón tensor; si es un bosón gauge también, es desconocido.
1. El antielectrón (
e +
) es tradicionalmente llamado positrón.
2. Todos los bosones portadores de fuerza conocidos tienen spin = 1 y, por lo tanto, son bosones vectoriales. El hipotético gravitón tiene spin = 2 y es un bosón tensor; si es un bosón gauge también, es desconocido.
Fermiones
El Modelo Estándar incluye 12 partículas elementales de spin / 2 , conocidas como fermiones. De acuerdo con el teorema de las estadísticas de giro, los fermiones respetan el principio de exclusión de Pauli. Cada fermion tiene una antipartícula correspondiente.
Los fermiones del Modelo Estándar se clasifican de acuerdo con la forma en que interactúan (o de manera equivalente, según qué cargos carguen). Hay seis quarks (arriba, abajo, hechizo, extraño, arriba, abajo) y seis leptones (electrón, neutrino electrónico, muón, neutrino muón, tau, neutrino tau). Los pares de cada clasificación se agrupan para formar una generación, con partículas correspondientes que muestran un comportamiento físico similar (ver tabla).
La propiedad definitoria de los quarks es que llevan carga de color y, por lo tanto, interactúan a través de la interacción fuerte. Un fenómeno llamado confinamiento del color hace que los quarks estén muy unidos entre sí, formando partículas compuestas de color neutro (hadrones) que contienen un quark y un antiquark (mesones) o tres quarks (bariones). El protón y el neutrón familiares son los dos bariones que tienen la masa más pequeña. Quarks también llevan carga eléctrica e isospín débil. Por lo tanto, interactúan con otros fermiones tanto electromagnéticamente como a través de la interacción débil. Los seis fermiones restantes no tienen carga de color y se llaman leptones. Los tres neutrinos tampoco llevan carga eléctrica, por lo que su movimiento está directamente influenciado por la fuerza nuclear débil, lo que los hace notoriamente difíciles de detectar. Sin embargo,
Cada miembro de una generación tiene una masa mayor que las partículas correspondientes de generaciones más bajas. Las partículas cargadas de primera generación no se descomponen, por lo tanto, toda la materia ordinaria (bariónica) está hecha de tales partículas. Específicamente, todos los átomos consisten en electrones que orbitan alrededor de núcleos atómicos, en última instancia constituidos por quarks arriba y abajo. Las partículas cargadas de segunda y tercera generación, por otro lado, se descomponen con semividas muy cortas y se observan solo en entornos de muy alta energía. Los neutrinos de todas las generaciones tampoco se descomponen y se extienden por el universo, pero rara vez interactúan con la materia bariónica.
Gauge de indicadores
En el Modelo Estándar, los bosones gauge se definen como portadores de fuerza que median las interacciones fundamentales fuertes, débiles y electromagnéticas.
Las interacciones en física son las formas en que las partículas influyen en otras partículas. A nivel macroscópico, el electromagnetismo permite que las partículas interactúen entre sí a través de campos eléctricos y magnéticos, y la gravitación permite que las partículas con masa se atraigan entre sí de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein. El Modelo Estándar explica tales fuerzas como resultado de partículas de materia que intercambian otras partículas, generalmente denominadas partículas mediadoras de fuerza . Cuando se intercambia una partícula mediada por la fuerza, a un nivel macroscópico el efecto es equivalente a una fuerza que influye en ambos, y se dice que la partícula ha mediado (es decir, ha sido el agente de) esa fuerza. Los cálculos del diagrama de Feynman, que son una representación gráfica de la aproximación de perturbación, invocan "partículas mediadoras de fuerza", y cuando se aplican para analizar experimentos de dispersión de alta energía están en acuerdo razonable con los datos. Sin embargo, la teoría de la perturbación (y con ella el concepto de una "partícula mediadora de la fuerza") falla en otras situaciones. Estos incluyen cromodinámica cuántica de baja energía, estados ligados y solitones.
Todos los bosones gauge del Modelo Estándar tienen spin (al igual que las partículas de materia). El valor del giro es 1, lo que los convierte en bosones. Como resultado, no siguen el principio de exclusión de Pauli que restringe los fermiones: así los bosones (por ejemplo, los fotones) no tienen un límite teórico sobre su densidad espacial (número por volumen). Los diferentes tipos de bosones gauge se describen a continuación.
- Los fotones median la fuerza electromagnética entre partículas cargadas eléctricamente. El fotón no tiene masa y está bien descrito por la teoría de la electrodinámica cuántica.
- los
W +
,
W -
y
Z
Z
siendo más masivo que el
W ±
. Las interacciones débiles que involucran a
W ±
actuar exclusivamente sobre partículas zurdas y antipartículas diestras . Además, el
W ±
lleva una carga eléctrica de +1 y -1 y se acopla a la interacción electromagnética. El eléctricamente neutral
Z
boson interactúa con partículas zurdas y antipartículas. Estos tres bosones gauge, junto con los fotones, se agrupan juntos, como si median colectivamente la interacción electrodébil.
Las interacciones entre todas las partículas descritas por el Modelo Estándar se resumen en los diagramas a la derecha de esta sección.
bosón de Higgs
La partícula de Higgs es una partícula elemental escalar masiva teorizada por Peter Higgs en 1964, cuando demostró que el teorema de Goldstone de 1962 (simetría continua genérica, que se rompe espontáneamente) proporciona una tercera polarización de un campo vectorial masivo. Por lo tanto, el doblete escalar original de Goldstone, la partícula masiva de spin cero, se propuso como el bosón de Higgs. (Ver papeles de ruptura de simetría PRL de 1964) y es un elemento clave en el Modelo Estándar. No tiene ningún giro intrínseco, y por esa razón se clasifica como un bosón (como los bosones gauge, que tienen un giro entero).
El bosón de Higgs juega un papel único en el Modelo Estándar, al explicar por qué las otras partículas elementales, excepto el fotón y el gluón, son masivas. En particular, el bosón de Higgs explica por qué el fotón no tiene masa, mientras que los bosones W y Z son muy pesados. Las masas de partículas elementales y las diferencias entre el electromagnetismo (mediado por el fotón) y la fuerza débil (mediada por los bosones W y Z) son críticas para muchos aspectos de la estructura de la materia microscópica (y por lo tanto macroscópica). En la teoría electrodébil, el bosón de Higgs genera las masas de los leptones (electrón, muón y tau) y los quarks. Como el bosón de Higgs es masivo, debe interactuar consigo mismo.
Debido a que el bosón de Higgs es una partícula muy masiva y también se descompone casi de inmediato cuando se crea, solo un acelerador de partículas de muy alta energía puede observarlo y registrarlo. Los experimentos para confirmar y determinar la naturaleza del bosón de Higgs utilizando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN comenzaron a principios de 2010 y se realizaron en Tevatron de Fermilab hasta su cierre a fines de 2011. La consistencia matemática del Modelo Estándar requiere que cualquier mecanismo capaz de generar las masas de partículas elementales se vuelve visible a energías superiores a 1,4 TeV ; por lo tanto, el LHC (diseñado para colisionar dos haces de protones de 7 TeV ) se construyó para responder a la pregunta de si el bosón de Higgs realmente existe.
El 4 de julio de 2012, dos de los experimentos en el LHC (ATLAS y CMS) informaron independientemente que encontraron una nueva partícula con una masa de alrededor de 125 GeV / c (alrededor de 133 masas de protones, del orden de 10 × 10 kg ) , que es "coherente con el bosón de Higgs". Más tarde se confirmó que era el bosón de Higgs buscado.
Aspectos teóricos
Construcción del Modelo Estándar Lagrangiano
Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el Modelo Estándar, en el que un lagrangiano controla la dinámica y la cinemática de la teoría. Cada tipo de partícula se describe en términos de un campo dinámico que impregna el espacio-tiempo. La construcción del Modelo Estándar procede siguiendo el método moderno de construir la mayoría de las teorías de campo: primero postulando un conjunto de simetrías del sistema y luego escribiendo el Lagrangiano renormalizable más general a partir de su contenido de partículas (campo) que observa estas simetrías.La simetría de Poincaré global se postula para todas las teorías de campos cuánticos relativistas. Consiste en la familiar simetría traslacional, la simetría rotacional y la invariancia inercial de la estructura de referencia central en la teoría de la relatividad especial. La simetría del indicador SU (3) × SU (2) × U (1) local es una simetría interna que define esencialmente el modelo estándar. Aproximadamente, los tres factores de la simetría del calibre dan lugar a las tres interacciones fundamentales. Los campos caen en diferentes representaciones de los diversos grupos de simetría del Modelo Estándar (ver tabla). Al escribir el Lagrangiano más general, uno encuentra que la dinámica depende de 19 parámetros, cuyos valores numéricos se establecen por experimento. Los parámetros se resumen en la tabla (que se ve haciendo clic en "mostrar") arriba (nota: la masa de Higgs está en 125 GeV , la fuerza de autoacoplamiento de Higgs λ ~ / 8 ).
Sector de la cromodinámica cuántica
El sector de la cromodinámica cuántica (QCD) define las interacciones entre quarks y gluones, con SU (3) de simetría, generada por T . Como los leptones no interactúan con los gluones, no se ven afectados por este sector. La Dirac Lagrangian de los quarks acoplados a los campos de gluones está dada por
dónde
- ψi es el espinor de Dirac del campo de quarks, donde i = {r, g, b} representa el color,
- γ son las matrices Dirac,
- G a μ es el campo de indicador de 8 componentes ( ) SU (3),
- T a ij son las matrices 3 × 3 Gell-Mann, generadores del grupo de colores SU (3),
- G a μν son los tensores de intensidad de campo para los gluones,
- g s es la fuerte constante de acoplamiento.
Sector electroweak
El sector electrodébil es una teoría de medida de Yang-Mills con el grupo de simetría simple U (1) × SU (2) L ,
dónde
- B μ es el campo de medidor U (1),
- Y W es la hipercarga débil: el generador del grupo U (1),
- W → μ es el campo de indicador de SU (3) de 3 componentes,
- τ L → son las matrices de Pauli - generadores infinitesimales del grupo SU (2) - con el subíndice L para indicar que solo actúan en los fermiones izquierdo- quirales,
- g' y g son la U (1) y SU (2) las constantes de acoplamiento, respectivamente,
- ( ) y son los tensores de intensidad de campo para los campos isospín débil y hipercarga débil.
Tenga en cuenta que la adición de términos de masa de fermiones en el lagrangiano electrodébil está prohibida, ya que los términos de la forma no respetan la invariancia de medidor U (1) × SU (2) L. Tampoco es posible agregar términos masivos explícitos para los campos de ancho U (1) y SU (2). El mecanismo de Higgs es responsable de la generación de las masas del bosón gauge, y las masas de fermiones resultan de las interacciones de tipo Yukawa con el campo de Higgs.
Sector Higgs
En el Modelo Estándar, el campo de Higgs es un escalar complejo del grupo SU (2) L :
donde los superíndices + y 0 indican la carga eléctrica ( Q ) de los componentes. El isospin débil ( Y W ) de ambos componentes es 1.
Antes de romper la simetría, el Higgs Lagrangian es
que también se puede escribir como
Sector Yukawa
Los términos de interacción Yukawa son
donde G u, d son 3 × 3 matrices de acoplamientos Yukawa, con el término ij que da el acoplamiento de las generaciones i y j .
Fuerzas fundamentales
El Modelo Estándar describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza; solo la gravedad permanece sin explicación. En el Modelo Estándar, una fuerza se describe como un intercambio de bosones entre los objetos afectados, como un fotón para la fuerza electromagnética y un gluón para la interacción fuerte. Esas partículas se llaman portadores de fuerza o partículas mensajeras.
| Propiedad / Interacción | Gravitación | Débiles | Electromagnético | Fuerte | |
|---|---|---|---|---|---|
| (Electroweak) | Fundamental | Residual | |||
| Actúa en: | Masa - Energía | Sabor | Carga eléctrica | Carga de color | Núcleos atómicos |
| Partículas experimentando: | Todas | Quarks, leptons | Cargado eléctricamente | Quarks, Gluons | Hadrones |
| Partículas mediadoras: | No se ha observado aún (hipótesis de Graviton) | W, W y Z | γ (fotón) | Gluons | mesones π, ρ y ω |
| Fuerza en la escala de quarks: | 10 | 10 | 1 | 60 | No aplicable a los quarks |
| Fuerza en la escala de protones / neutrones: | 10 | 10 | 1 | No aplicable a los hadrones | 20 |
Pruebas y predicciones
El Modelo Estándar (SM) predijo la existencia de los bosones W y Z, el gluón y los quarks superior y de encantamiento y predijo muchas de sus propiedades antes de que se observaran estas partículas. Las predicciones fueron confirmadas experimentalmente con buena precisión.
El SM también predijo la existencia del bosón de Higgs, encontrado en el Gran Colisionador de Hadrones como la última partícula del SM.
Desafíos
 | Problema sin resolver en física :
|
La autoconsistencia del Modelo Estándar (actualmente formulada como una teoría de medida no abeliana cuantificada a través de integrales de trayectoria) no ha sido demostrada matemáticamente. Aunque existen versiones regularizadas útiles para cálculos aproximados (por ejemplo, la teoría del calibre de celosía), no se sabe si convergen (en el sentido de los elementos de la matriz S) en el límite en que se elimina el regulador. Una pregunta clave relacionada con la consistencia es la existencia de Yang-Mills y el problema de la brecha masiva.
Los experimentos indican que los neutrinos tienen masa, lo que el Modelo Estándar clásico no permitió. Para adaptarse a este hallazgo, el clásico modelo estándar se puede modificar para incluir la masa de neutrinos.
Si uno insiste en usar solo partículas del Modelo Estándar, esto puede lograrse agregando una interacción no renormalizable de leptones con el bosón de Higgs. En un nivel fundamental, tal interacción surge en el mecanismo de balanceo donde se agregan neutrinos diestros duros a la teoría. Esto es natural en la extensión simétrica izquierda-derecha del Modelo Estándar y en ciertas grandes teorías unificadas. Mientras la nueva física aparezca por debajo o alrededor de 10 GeV, las masas de neutrinos pueden ser del orden correcto de magnitud.
La investigación teórica y experimental ha intentado ampliar el Modelo Estándar a una teoría de campo Unificada o una Teoría de todo, una teoría completa que explica todos los fenómenos físicos, incluidas las constantes. Las insuficiencias del Modelo Estándar que motivan tal investigación incluyen:
- El modelo no explica la gravitación, aunque la confirmación física de una partícula teórica conocida como gravitón explicaría hasta cierto punto. Aunque aborda las interacciones fuertes y electrodébiles, el Modelo Estándar no explica consistentemente la teoría canónica de la gravitación, la relatividad general, en términos de la teoría cuántica de campos. La razón de esto es, entre otras cosas, que las teorías cuánticas de campo de la gravedad generalmente se descomponen antes de alcanzar la escala de Planck. Como consecuencia, no tenemos una teoría confiable para el universo muy temprano.
- Algunos físicos lo consideran ad hoc y poco elegante, y requieren 19 constantes numéricas cuyos valores no están relacionados y son arbitrarios. Aunque el Modelo Estándar, tal como está ahora, puede explicar por qué los neutrinos tienen masas, los detalles de la masa de neutrinos aún no están claros. Se cree que explicar la masa de neutrinos requerirá 7 u 8 constantes adicionales, que también son parámetros arbitrarios.
- El mecanismo de Higgs da lugar al problema de la jerarquía si una nueva física (acoplada al Higgs) está presente a altas escalas de energía. En estos casos, para que la escala débil sea mucho más pequeña que la escala de Planck, se requiere un ajuste fino de los parámetros; Sin embargo, existen otros escenarios que incluyen la gravedad cuántica en la que se puede evitar tal ajuste fino. También hay problemas de trivialidad cuántica, lo que sugiere que puede que no sea posible crear una teoría cuántica de campos consistente que involucre partículas escalares elementales.
- El modelo es inconsistente con el emergente "Modelo estándar de la cosmología". Las afirmaciones más comunes incluyen la ausencia de una explicación en el Modelo Estándar de la física de partículas para la cantidad observada de materia oscura fría (MDL) y sus contribuciones a la energía oscura, que son muchos órdenes de magnitud demasiado grandes. También es difícil acomodar el predominio observado de materia sobre antimateria (asimetría de materia / antimateria). La isotropía y la homogeneidad del universo visible a grandes distancias parece requerir un mecanismo como la inflación cósmica, que también constituiría una extensión del Modelo Estándar.
En la actualidad, no se ha aceptado o verificado ampliamente ninguna Teoría del Todo propuesta.
Obtenido de: https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model