Modelo estándar de física de partículas

¿Qué es el modelo estándar?

La física se trata de explicar el universo, pero no solo de explicar por qué un narciso es amarillo o por qué llueve tanto en los trópicos. No, la física se encarga de explicarlo todo. El objetivo es explicar todo el universo utilizando un conjunto simple de leyes que tengan un sentido coherente.

Esta parece una misión grandiosa y difícil. Pero la física ha tenido un éxito increíble en el uso de las matemáticas para explicar la gran mayoría de las cosas que vemos en el universo. Desafortunadamente, todavía no hemos llegado a ese punto.

El modelo estándar es parte de la búsqueda para comprenderlo todo. Es una descripción matemática de las partículas fundamentales (o elementales) del universo y las fuerzas mediante las cuales interactúan entre sí. Esas cuatro fuerzas son el electromagnetismo, la gravedad, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.

Cuando pensamos en partículas diminutas, podríamos pensar en átomos, pero los átomos no son partículas fundamentales o elementales, porque están hechos de cosas más pequeñas: protones, neutrones y electrones. Se cree que los electrones son partículas elementales, pero incluso los protones y neutrones no lo son, porque están hechos de partículas más pequeñas llamadas quarks. Un protón está formado por dos quarks ascendentes y uno descendente. Y un neutrón está hecho de dos quarks abajo y uno arriba.

Tal vez algún día descubramos que hay cosas incluso más pequeñas que los quarks, pero por el momento pensamos que es lo más pequeño posible.

Partículas del modelo estándar

El modelo estándar de la física contiene 12 partículas regulares, cuatro partículas de intercambio y el bosón de Higgs. Las 12 partículas regulares incluyen seis tipos de quarks y seis leptones como el electrón.

Los seis quarks son: quarks up, quarks down, quarks top, quarks bottom, quarks encantadores y quarks extraños. Los seis leptones son electrones, muones, taus, neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau. Esas son las 12 partículas regulares. Son materia normal como todo lo que nos rodea.

Luego están las cuatro partículas de intercambio : fotones, gluones, bosones Z y bosones W. Estas partículas pasan entre otras cuando las partículas interactúan entre sí, y son la razón por la que existen fuerzas en el universo. Siempre que hay una fuerza electromagnética, intervienen fotones. Siempre que la fuerza nuclear fuerte mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo, intervienen los gluones. Y siempre que la fuerza débil hace que sucedan interacciones entre partículas, cuando las partículas chocan entre sí y crean otras nuevas, los bosones Z o W están involucrados. Todas las fuerzas del universo se reducen a una de las partículas de intercambio.

Por último, está el bosón de Higgs , que es responsable de dar masa a todo en el universo. Pero, solo para agregar un poco más de complejidad a la imagen, como si ya no fuera ridículamente complejo, el modelo estándar también contiene dos tipos de materia: materia regular y antimateria. Para cada una de las 12 partículas regulares, hay otras 12 antipartículas. Hay anti-neutrinos, anti-muones, quarks anti-up y anti-electrones, aunque solo los llamamos positrones.

Así que eso es todo: el modelo estándar de física en pocas palabras.

Debilidades del modelo estándar

El modelo estándar es genial. Es maravilloso. Es realmente consistente, y todas las matemáticas tienen sentido y coinciden con nuestras observaciones. Solo hay un problema: no está completo.

Lo que sí explica, lo explica perfectamente. Pero no lo explica todo. No es una teoría que explique todo el universo. Faltan un par de piezas.

Un problema es que no explica la gravedad. Creemos que podría haber otra partícula de intercambio llamada gravitón que encaja en el modelo estándar. Pero explicar la gravedad junto con el resto del modelo estándar es realmente difícil.

Tampoco explica qué es la materia oscura. Sabemos por las mediciones gravitacionales que debe haber mucha más materia en el universo de la que podemos ver. Pero esa materia no puede ser ninguna de las partículas del modelo estándar; Esto tiene que ser algo mas. Lo hemos demostrado mediante experimentos. Por tanto, no parece que el modelo estándar esté completo. La física tiene mucho más trabajo por hacer.

Resumen de la lección

El modelo estándar es una descripción matemática de las partículas fundamentales (o elementales) del universo y las fuerzas mediante las cuales interactúan entre sí. Esas cuatro fuerzas son el electromagnetismo, la gravedad, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.

Cuando pensamos en partículas diminutas, podríamos pensar en átomos, pero los átomos no son partículas fundamentales o elementales, porque están hechos de cosas más pequeñas: protones, neutrones y electrones. Y los protones y neutrones están hechos de quarks.

El modelo estándar de la física contiene 12 partículas regulares, cuatro partículas de intercambio y el bosón de Higgs. Las 12 partículas regulares incluyen seis tipos de quarks y seis leptones como el electrón. Los seis quarks son quarks up, quarks down, quarks top, quarks bottom, quarks encantadores y quarks extraños. Los seis leptones son electrones, muones, taus, neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau. Cada uno de estos doce también tiene una antipartícula, haciendo 24 en total.

Las cuatro partículas de intercambio son fotones, gluones, bosones Z y bosones W. Los fotones proporcionan la fuerza electromagnética, los gluones la fuerza nuclear fuerte y los bosones Z y W la fuerza débil. Por último, está el bosón de Higgs , que es responsable de dar masa a todo en el universo.

Desafortunadamente, el modelo estándar no está completo. No explica la gravedad y no incluye partículas que encajen con nuestras observaciones de la materia oscura en el universo.

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