Modelo estándar

O modelo estándar da física de partículas é a teoría que describe tres das catro forzas fundamentais da natureza –as interaccións fortes e débiles e a forza electromagnética–, e tamén clasifica os distintos tipos de partículas elementais. Desenvolveuse principalmente durante as décadas de 1960 e 1970 con contribucións esenciais de científicos como Sheldon Glashow, Steven Weinberg, Abdus Salam ou Gell-Mann entre outros, aínda que a súa formulación e confirmación continuaron posteriormente.

Modelo estándar
Nome curto SM (en)   СМ (ru)   SM (de)
Instancia de teoría modelo científico  Estudado por física de partículas
Códigos e identificadores Freebase /m/0ct8_
Wikidata G:Commons C:Commons

Partículas que constitúen o modelo estándar.

A día de hoxe, case todas as probas experimentais das tres forzas descritas polo modelo están de acordo coas súas predicións. Non obstante, o modelo estándar ten certas limitacións, xa que deixa sen explicar algunhas cuestións de interese experimental e teórico como o predominio da materia sobre a antimateria, a existencia da materia escura ou o valor de certos parámetros físicos que se determinaron de forma experimental. Na actualidade, as principais liñas de investigación céntranse en estudar con maior grao de precisión o bosón de Higgs e en buscar novas partículas ou interaccións que permitan ampliar o modelo e integralo nunha teoría fundamental máis ampla que poida incluír a materia escura e a gravidade.

O modelo estándar clasifica as partículas elementais en dous grandes grupos segundo o seu espín: os fermións e os bosóns. Os fermións son as partículas máis elementais que constituen a materia, e divídense a súa vez en quarks e leptóns. Por outro lado, os bosóns son as partículas que explican as tres forzas fundamentais mencionadas anteriomente. En total, coñécense 6 quarks (up, down, charm, strange,top e bottom), 6 leptóns (electrón, muón, tau e os seus neutrinos correspondentes)  e 5 tipos de bosóns (fotón, bosóns W e Z, gluóns e o bosón de Higgs).

Historia

A finais do século XIX era coñecido que a materia estaba formada por átomos, pero sabíase moi pouco acerca da súa composición, posto que se pensaba que era a unidade máis elemental que compón a materia. Non obstante, os descubrimentos de J.J. Thomson, Ernest Rutherford e Chadwick entre os anos 1897 e 1932 mostraron que os átomos tiñan unha estrutura interna que consistía nun denso núcleo atómico formado por neutróns e protóns, arredor do cal orbitaban os electróns, o que motivou a búsqueda dun marco teórico capaz de explicar a existencia dos núcleos atómicos posto que a forza electromagnética tende a separar os protóns do núcleo. Unha das primeiras respostas a este problema débese a Werner Heisenberg, quen suxeriu  a existencia dunha interacción moito más forte a escalas atómicas para explicar a estabilidade dos núcleos atómicos, e que na actualidade coñécese como interacción forte. Heisenberg considerou que o protón e o neutrón podían ser considerados como dous estados duhna mesma partícula denominada nucleón, posto que posúen masa similar e mesmo espín. Para describir os dous estados do nucleón empregouse un novo número cuántico denominado isoespín, que implica a existencia dunha simetría interna, posto que, desde o punto de vista da interacción forte, esta permanece aproximadamente igual ao intercambiar os dous posibles estados do nucleón. O concepto de isosespín sería esencial posteriomente para estudo dos quarks.

    Aínda que a teoría do isoespín outorgaba unha explicación satisfactoria da estabilidade dos núcleos atómicos, non podía explicar algúns fenómenos físicos como a desintegración beta. Na primeira metade da década de 1930, Enrico Fermi  propuxo a primeira teoría da interacción débil mediante a interacción de catro fermións, e que incluía a protóns, neutróns, electróns e neutrinos como partículas fundamentais. A teoría foi xenaralizada en 1936  por George Gamow e Edward Teller, que incluíron un maior número de interaccións no modelo. Porén, durante as décadas de 1940 e 1950 descubríronse novas partículas cuxas desintegracións suscitaron novos problemas.  Entre elas atopábanse dous mesóns cargados, denominados $\theta ^{+}$ e $\tau ^{+}$. Os datos experimentais mostraban que os tempos de vida e as masas deses mesóns era prácticamente idénticos, pero a análise dos seus productos de desintegración suxerían que non eran a mesma partícula, paradoxa que deu lugar ó que se coñece como $\theta$-$\tau$-puzzle.  Para resolvelo, os físicos Lee e Yang propuxeron en 1956 que a paridade non se conserva nas interaccións débiles, feito que foi corroborado experimentalmente aproximadamente un ano despois por Chien-Shiung Wu. Este descubrimento supuxo un cambio fundamental na comprensión da interacción débil, xa que demostrou que esta ten unha estrutura diferente ás demais forzas fundamentais, resultado que sería esencial para o posterior desenvolvemento da teoría electrodébil, e polo tanto, do Modelo Estándar.

De forma simultánea, durante a década de 1950 e principios de 1960, realizáronse avances no aspecto teórico que serían cruciais para o Modelo Estándar.  Por unha banda, en 1954 os físicos Chen-Ning e Robert Mills propuxeron unha xeralización das teorías gauge que permitiu construir teorías baseadas en simetrías internas non abelianas, o que proporcionou a estructura matemática fundamental para a explicación das interaccións débil e forte. Por outra banda, en 1961, Sheldon Glashow propuxo unha teoría na que a interacción electromagnética e a interacción débil se describían como dúas manifestacións dunha única interacción electrodébil, baseada na simetría gauge. Porén, a teoría presentaba aínda unha dificultade fundamental: como explicar a masa dos bosóns W e Z sen destruír a simetría gauge da teoría. A solución a este problema chegou co mecanismo de Brout-Englert-Higgs de ruptura espontánea da simetría. Non obstante, non foi ata o ano 1967 cando Steven Weinberg e Abdus Salam incorporaron o mecanismo de Higgs na teoría da interacción electrodébil de Glashow.

Mentres se producían importantes avances no eido da física teórica, dende o punto de vista experimental descubríronse un número cada vez maior de partículas subatómicas durante as décadas de 1950 e 1960. Esta rápida proliferación de novas partículas deu lugar ó que se coñece como «zoo de partículas», termo empregado para describir a aparente gran variedade de partículas elementais descubertas nesa época. Neste contexto, Murray Gell-Mann e George Zweig postularon de maneira independiente a existencia dos quarks como as partículas fundamentais  que constitúen os hadróns. As súas ideas foron recibidas de maneira escéptica, especialmente pola proposta de valores fraccionarios para as cargas eléctricas dos quarks, o que levou á idea de que as propostas de Gell-Mann e Zweig tratábanse dunha representación matemática en lugar duhna realidade física, cuestión que se resolvería progresivamente coa acumulación de evidencias experimentais. Outra contribución importante foi a de Oscar W. Greenberg, quen en 1964 propuxo un novo grao de liberdade asociado aos quarks, que posteriormente sería interpretado como a súa carga de cor.

Durante a década de 1970 producíronse importantes avances na consolidación do Modelo Estándar. En 1970, Sheldon Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani propuxeron o mecanismo GIM, que explicaba a ausencia de determinadas transicións débiles e predicía a existencia do quark charm. En 1971, Gerard ’t Hooft demostrou que as teorías gauge non abelianas, como as teorías de Yang-Mills, podían ser renormalizables, proporcionando unha base matemática sólida para o desenvolvemento do Modelo Estándar. En 1973, David Gross, Frank Wilczek e David Politzer descubriron de maneira independente a liberdade asintótica, segundo a cal a interacción forte se debilita a distancias moi pequenas, consolidando a cromodinámica cuántica (QCD) como teoría da interacción forte. Ese mesmo ano descubríronse no CERN as correntes neutras débiles, proporcionando unha importante confirmación experimental da teoría electrodébil. Posteriormente, en 1974, descubriuse o mesón J/ψ, constituído por un quark charm e o seu antiquark, confirmando a predición do mecanismo GIM. En 1977 descubriuse o quark bottom, completando a segunda xeración de quarks.

O nome de Modelo Estándar empregouse por primeira vez nos anos 1970, se ben nos seus comezos, "estándar" era usado como adxetivo, no sentido de que era o modelo normalmente usado.

Organización do modelo

O modelo estándar ten base experimental e non pode dar explicación a toda a física. Necesita de 18 variables para facer as súas predicións, variables que necesitan ser medidas e axustadas nas ecuacións e que de fieto, ó ser alguna delas medida con máis precisión ten provocado a eliminación de posibilidades teóricas e as predicións correspondentes. Asemade, fai algunhas asuncións sobre o Universo, como que as leis da física son as mesmas en calquera parte do universo, que a probilidade se conserva, que non se roachan as relacións causa-efecto, que sucesos que non intesectan no espazo son independentes, que hai un número finito de partícuas e campos ou a veracidade da relatividade especial e a mecánica cuántica.

Segundo o modelo estándar toda a materia coñecida esta constituída de partículas de spin semienteiro (fermións) clasificadas en dous grupos dependendo das interaccións que poden sufrir. Así o grupo dos leptóns fórmano aqueles fermións que non sofren a interacción forte. O resto dos fermións fundamentais denomínanse quarks. Tanto uns como outros agrúpanse en tres familias (tamén chamadas xeracións) e os compoñentes de cada unha diferéncianse dos do resto tan só na masa. Na seguinte táboa poden verse as partículas fundamentais no Modelo Estándar.

Partículas fundamentales do Modelo Estándar

	Leptóns		Quarks
Familias	Nome	Símbolo	Nome	Símbolo
1a	electrón	e	up (Quark arriba)	u
	neutrino e	ne	down (Quark abaixo)	d
2a	muón	µ	charm (Quark encantado)	c
	neutrino µ	nµ	strange (Quark estraño)	s
3a	tau	t	top (Quark cume)	t
	neutrino t	nt	bottom (Quark fondo)	b

Doutra banda o modelo estándar considera a existencia de tres interaccións fundamentais entre os fermións:

• A forza electromagnética: transmitida por fotóns. Presente en todas as partículas con carga eléctrica.
• A forza nuclear débil: responsable, por exemplo, da desintegración $\beta$.
• A forza nuclear forte: actúa entre quarks e é a responsable de que estes permanezan unidos formando nucleóns, así como de que os nucleóns non se dispersen nos núcleos atómicos.

O modelo estándar non contempla a cuarta forza fundamental coñecida da natureza: a forza gravitatoria.

As interaccións descríbense dentro do Modelo Estándar por medio de teorías gauge e maniféstanse a través do intercambio de partículas de spin enteiro (bosóns). As dúas primeiras interaccións (débil e electromagnética) están parcialmente unificadas segundo o modelo electrodébil. Porén a unificación das tres forzas non se realiza dentro do Modelo Estándar, senón que se introducen tres constantes de acoplamento (unha por cada interacción). O marco matemático no que se desenvolve o ModeloEstándar é a superposición de tres grupos de simetría: O SU(3)C × O SU(2)L × U(1)E. Na seguinte táboa poden verse os bosóns gauge xunto coas interaccións ás que están asociados e a forza relativa de cada unha destas.

Interaccións descritas polo Modelo Estándar xunto cos grupos gauge e os bosóns asociados a cada unha. Na columna da esquerda represéntanse as constantes fundamentais que indican a forza relativa de cada interacción.

Interacción	Grupo gauge	Bosón	Símbolo	Forza relativa
Electromagnética	U(1)	fotón	g	aem = 1/137
Débil	SU(2)	bosóns intermedios	W±, Z0	adébil = 1,02 · 10−5
Forte	SU(3)	gluóns (8 tipos)	g	as(MZ) = 0,121

Probas e predicións

O Modelo Estándar predicía a existencia dos bosóns W e Z, o gluón, e os quarks top (cumio) e charm (encanto) antes de que esas partículas fosen observadas. As súas propiedades preditas foron experimentalmente confirmadas con boa precisión.

O Large Electron-Positron collider LEP, no CERN probou varias predicións entre os decaementos dos bosóns Z, e confirmounas.

Para obter unha idea do éxito do Modelo Estándar, amósase na seguinte táboa unha comparación entre os valores medidos e preditos dalgunhas cantidades:

Cantidade	Medida (GeV)	Predición do Modelo Estándar (GeV)
Masa do bosón W	80.4120±0.0420	80.3900±0.0180
Masa do bosón Z	91.1876±0.0021	91.1874±0.0021

Desafíos ó modelo estándar

Aínda non hai indicación experimental da existencia do bosón de Higgs. Se ben o modelo estándar tivo grande éxito en explicar os resultados experimentais, ten dous defectos importantes:

1. O modelo contén 19 parámetros libres, tales como as masas das partículas, que deben ser determinados experimentalmente (ademais de 10 para as masas dos neutrinos). Eses parámetros non poden ser calculados de xeito independente.
2. O modelo non describe a interacción gravitatoria.

Desde que se completou este modelo, realizáronse moitos esforzos para solucionar estes problemas. Unha tentativa para resolver o primeiro defecto é coñecida como grande unificación. As chamadas 'Teorías de grande unificación' (con siglas en inglés 'GUT') hipotetizan que os grupos SU(3), SU(2), e U(1) son na realidade subgrupos dun único grupo de grande simetría. A altas enerxías (abondo máis grandes que as usadas agora na experimentación), a simetría do grupo unificado é preservada; a baixas enerxías, redúcese a SU(3)×SU(2)×U(1) por un proceso coñecido como rotura espontánea de simetría. A primeira teoría deste tipo foi proposta por Georgi e Glashow (no 1974), usando SU(5) como grupo unificador. Unha característica distintiva destas GUT é que, de xeito diverso ó Modelo Estándar, predín a existencia do decaemento do protón. No 1999, o observatorio de neutrinos Super-Kamiokande non informara a observación de ningún protón, o que establece un límite inferior para a [[semivida do protón de 6.7× 10³² anos. Estes e outros experimentos teñen falsado numerosas GUTs, incluíndo SU(5). Outro esforzo para manexar o primeiro defecto foi o desenvolvemento de modelos de preóns, procurando unha estrutura de partículas máis fundamentais que as establecidas polo modelo estándar.

Ademais, hai razóns cosmolóxicas polas que se cre que o Modelo Estándar é incompleto. Nel, a materia e a antimateria están relacionadas pola simetría CPT (simetría de carga, paridade e tempo) o que suxire que debera haber igual cantidade de materia e antimateria despois do big-bang (a 'grande explosión' primixenia do Universo). Aínda que a preponderancia da materia no Universo pode ser explicada dicindo que o universo comezou antes de seren aplicadas estas normas, este tipo de explicacións é considerada como pouco elegante e inadecuada polos físicos. Asemade, o Modelo Estándar non prové dun mecanismo para xerar a inflación cósmica (diferente da expansión cósmica) que se cre se produciu ó comezo do Universo.

O bosón de Higgs, predito polo Modelo Estándar, non foi observado ata o momento 2007 (aínda que foron observados no LEP (Large Electron-Positron Collider, Grande colisor electrón-positrón) algúns fenómenos relacionados con el). Unha das razóns para a construción do Large Hadron Collider (Gran colisor de hadróns) é que o incremento de enerxía posible nel pode facer observable o Higgs.

Ampliación do Modelo

A primeira desviación experimental do Modelo Estándar (tal como foi proposto nos 70) chegou no 1998, cando os científicos do Super-Kamiokande publicaron resultados indicando a oscilación neutrino. baixo o modelo, un neutrino sen masa non pode oscilar, polo que esa observación implicaba a existencia de masas do neutrino diferentes de cero. Polo tanto, foi necesario revisar o modelo para permitir neutrinos con masa, o que se fixo incorporando 10 parámetros máis que os iniciais 19.

Unha extensión posterior do Modelo Estándar ten como orixe a teoría da supersimetría, que propón un compañeiro supersimétrico para cada partícula existente no Modelo Estándar convencional. As partículas supersimétricas foron xseridas como candidatas para explicar a materia escura. Porén, ditas partículas non foron observadas ata a data, aínda que son unha das ideas máis populares en física teórica das partículas.

Partículas fundamentais en Física (lista, táboa)
Fermións						Bosóns de Gauge
Quarks			Leptóns			Bosóns W e Z	Fotón	Gluón
Arriba	Encantado	Cume	Electrón	Muón	Tau (tauón)	Bosóns hipotéticos
Abaixo	Estraño	Fondo	e-neutrino	μ-neutrino	τ-neutrino	Gravitón    Bosón de Higgs
Outras clases, partículas compostas e outras
barión - gravitino - hadrón - kaón - mesón - neutrón - pión - positrón - protón
Termos relacionados
antimateria - partícula subatómica