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 fenómenos que incluyen ruptura espontánea de simetría, anomalías y comportamiento no perturbativo. Se utiliza como base para la construcción de modelos más exóticos que incorporan partículas hipotéticas, dimensiones adicionales 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.
Después de que las corrientes débiles neutrales causadas por el intercambio de bosones Zfueran descubiertas en el CERN en 1973, la teoría electrodébil fue ampliamente aceptada y Glashow, Salam y Weinberg compartieron el Premio Nobel de Física de 1979 por descubrirla. Los bosones W ± y Z 0 se descubrieron experimentalmente en 1983; y se encontró que la razón de sus masas era la que 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 la QCD en el foco principal de la investigación teórica) y los experimentos confirmaron que la 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, con referencia a la teoría electrodébil con cuatro quarks.
Contenido de partículas
El modelo estándar incluye miembros de varias clases de partículas elementales, que a su vez pueden distinguirse por otras características, como la carga de color.
Todas las partículas se pueden resumir de la siguiente manera:
La propiedad definitoria de los quarks es que llevan carga de color y, por lo tanto, interactúan a través de la interacción fuerte. El fenómeno del confinamiento de color da como resultado que los quarks se unan muy fuertemente entre sí, formando partículas compuestas de color neutro llamadas hadrones que contienen un quark y un antiquark ( mesones ) o tres quarks ( bariones ). Los bariones más ligeros son el protón y el neutrón. Los quarks también llevan carga eléctrica e isospín débil. Por lo tanto, interactúan con otros fermiones a través del electromagnetismo y la interacción débil. Los seis fermiones restantes no llevan carga de color y se denominan leptones. Los tres neutrinos tampoco llevan carga eléctrica, por lo que su movimiento está directamente influenciado solo por la fuerza nuclear débil y la gravedad, lo que los hace notoriamente difíciles de detectar. Por el contrario, en virtud de llevar una carga eléctrica, el electrón, el muón y la tau interactúan electromagnéticamente.
Cada miembro de una generación tiene una masa mayor que la partícula correspondiente de cualquier generación anterior. Las partículas cargadas de primera generación no se descomponen, por lo que 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 up y down. Por otro lado, las partículas cargadas de segunda y tercera generación se desintegran con vidas medias muy cortas y solo se observan en entornos de muy alta energía. Los neutrinos de todas las generaciones tampoco se descomponen y impregnan el universo, pero rara vez interactúan con la materia bariónica.
Bosones de calibre
Interacciones en el modelo estándar. Todos los diagramas de Feynman del modelo se construyen a partir de combinaciones de estos vértices. q es cualquier quark, g es un gluón, X es cualquier partícula cargada, γ es un fotón, f es cualquier fermión, m es cualquier partícula con masa (con la posible excepción de los neutrinos), m B es cualquier bosón con masa. En diagramas con múltiples etiquetas de partículas separadas por /, se elige una etiqueta de partículas. En diagramas con etiquetas de partículas separadas por | las etiquetas deben elegirse en el mismo orden. Por ejemplo, en el caso electrodébil de cuatro bosones, los diagramas válidos son WWWW, WWZZ, WWγγ, WWZγ. También se permite la conjugación de cada vértice enumerado (invirtiendo la dirección de las flechas).
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 conocidas como partículas mediadoras de fuerza. Cuando se intercambia una partícula que media una fuerza, el efecto a nivel macroscópico es equivalente a una fuerza que influye en ambas y, por lo tanto, 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 la teoría de la perturbación, invocan "partículas mediadoras de fuerza" y, cuando se aplican para analizar experimentos de dispersión de alta energía, concuerdan razonablemente con los datos. Sin embargo, la teoría de la perturbación (y con ella el concepto de "partícula mediadora de fuerzas") falla en otras situaciones. Estos incluyen cromodinámica cuántica de baja energía, estados ligados y solitones.
Todos los bosones gauge del Modelo Estándar tienen espín (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 : por lo tanto, los bosones (por ejemplo, fotones) no tienen un límite teórico en su densidad espacial (número por volumen). Los 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 Los bosones gauge median las interacciones débiles entre partículas de diferentes sabores (todos quarks y leptones). Son masivas, con elZ siendo más masivo que el W±. Las interacciones débiles que involucran alW±actúan solo sobre partículaszurdas y antipartículas diestras. losW±lleva una carga eléctrica de +1 y -1 y se acopla a la interacción electromagnética. El eléctricamente neutroZEl bosón interactúa tanto con las partículas de la mano izquierda como con las antipartículas de la mano derecha. Estos tres bosones gauge junto con los fotones se agrupan juntos, como mediadores colectivos de la interacción electrodébil.
Los ocho gluones median las fuertes interacciones entre partículas cargadas de color (los quarks). Los gluones no tienen masa. La multiplicidad de ocho gluones está marcada por una combinación de carga de color y anticolor (por ejemplo, rojo-antverde). Debido a que los gluones tienen una carga de color efectiva, también pueden interactuar entre ellos. Los gluones y sus interacciones se describen mediante la teoría de la cromodinámica cuántica.
Las interacciones entre todas las partículas descritas por el modelo estándar se resumen en los diagramas a la derecha de esta sección.
La partícula de Higgs es una partícula elemental escalar masiva teorizada por Peter Higgs en 1964, cuando mostró 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 espín cero, se propuso como el bosón de Higgs y es un componente clave en el modelo estándar. No tiene espín intrínseco, por lo que se clasifica como bosón (como los bosones gauge, que tienen espín 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 fundamentales para muchos aspectos de la estructura de la materia microscópica (y por tanto macroscópica). En la teoría electrodébil, el bosón de Higgs genera las masas de los leptones (electrones, muones y tau) y 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 desintegra casi inmediatamente 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 Fermilab 's Tevatron hasta su cierre a finales de 2011. La coherencia matemática del Modelo Estándar requiere que cualquier mecanismo capaz de generar las masas de partículas elementales debe hacerse visible a energías superiores1,4 TeV ; por lo tanto, el LHC (diseñado para colisionar dosHaces de protones de 7 TeV) se construyó para responder a la pregunta de si realmente existe el bosón de Higgs.
El 4 de julio de 2012, dos de los experimentos en el LHC ( ATLAS y CMS ) informaron de forma independiente que habían encontrado una nueva partícula con una masa de aproximadamente125 GeV / c 2 (alrededor de 133 masas de protones, del orden de10 × 10 −25 kg), que es "consistente con el bosón de Higgs". El 13 de marzo de 2013, se confirmó que era el bosón de Higgs buscado.
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 simetríaglobal dePoincaré se postula para todas las teorías relativistas de campos cuánticos. Consiste en la simetría traslacional familiar, la simetríarotacional y la invariancia del marco de referencia inercial que son fundamentales para la teoría de la relatividad especial. La simetría de calibrelocal SU (3) × SU (2) × U (1) es una simetría interna que esencialmente define el Modelo Estándar. Aproximadamente, los tres factores de la simetría de gauge 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, se encuentra que la dinámica depende de 19 parámetros, cuyos valores numéricos se establecen experimentalmente. Los parámetros se resumen en la tabla (que se hace visible al hacer clic en "mostrar") arriba.
El sector de la cromodinámica cuántica (QCD) define las interacciones entre quarks y gluones, que es una teoría gauge de Yang-Mills con simetría SU (3), generada por T a. Dado que los leptones no interactúan con los gluones, este sector no los afecta. El Lagrangiano de Dirac de los quarks acoplados a los campos de gluones viene dado por
dónde
ψIes el espinor de Dirac del campo de quarks, donde i = {r, g, b} representa el color,
W →μ es el campo de calibre SU (2) de 3 componentes,
τ L → son las matrices de Pauli - generadores infinitesimales del grupo SU (2) - con subíndice L para indicar que solo actúan sobrefermiones quirales izquierdos,
g' y g son la U (1) y SU (2) Las constantes de acoplamiento, respectivamente,
Observe 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 calibre U (1) × SU (2) L. Tampoco es posible agregar términos de masa explícitos para los campos de calibre U (1) y SU (2). El mecanismo de Higgs es responsable de la generación de masas de bosones gauge, y las masas de fermiones son el resultado de interacciones de tipo Yukawa con el campo de Higgs.