EL MODELO ESTÁNDAR DE LA FÍSICA DE PARTÍCULAS

El Modelo Estándar de la Física es un conjunto de fórmulas matemáticas y cálculos que describen las partículas elementales y sus interacciones. En pocas palabras, el Modelo Estándar es la Tabla Periódica de la Física.

Al igual que la tabla periódica categoriza a los elementos basados en sus características atómicas, el Modelo Estándar categoriza a las partículas fundamentales en dos grupos, fermiones y bosones.

El Modelo Estándar fue creado como complemento de la teoría cuántica, y desde entonces, ha hecho un extraordinario trabajo en la descripción y mapeo de las partículas e interacciones, e incluso, fue de gran ayuda para predecir la existencia del Bosón de Higgs, descubierta en 2012 por el CERN.

Actualmente, es la teoría más precisa que cubre los fundamentos de la física de partículas. Pero está lejos de ser perfecto, mostrando grandes fallas en la incorporación de la gravedad en el modelo, o en la explicación de la expansión cada vez más rápida del universo, y de igual forma, tampoco nos explica por qué hay más materia que antimateria en el universo.

Este modelo está divido en dos partes, fermiones (partículas portadoras de materia), y los bosones (partículas portadoras de fuerza).

Fermiones

Los fermiones son los componentes fundamentales de la materia, existen 12 partículas elementales dentro de esta categoría, cuyo spin es ½, respetando el Principio de Exclusión de Pauli “no ocupes mi lugar”. Esta es una característica importante de sus propiedades cuánticas, no hay dos fermiones que puedan ocupar el mismo lugar a la vez, que es lo que les permite construir TODO, desde los átomos y moléculas hasta planetas y estrellas.

El spin es una propiedad intrínseca de la materia, al igual que la masa y la carga. Así como la masa está relacionada con el peso, y la carga está relacionada con el campo eléctrico, de la misma manera, el spin está relacionado con el campo magnético.

Los fermiones se dividen en quarks y leptones. Los quarks son aquellas partículas que componen el núcleo atómico, e interactúan con la fuerza nuclear fuerte. Los quarks combinados forman partículas como: protones y neutrones. Mientras que los leptones, que interactúan con la fuerza electrodébil, incluyen electrones, que orbitan alrededor del núcleo atómico, también existen otras partículas similares, tales como los taus y muones, pequeñas partículas que pasan desapercibidas por nuestro planeta.

Los fermiones se dividen en tres categorías matemáticamente:

• Los fermiones de Weyl, que no tienen masa, y no pueden moverse por sí mismas (como los electrones o protones), solo existen como cuasipartículas dentro de un material sólido. Estos fermiones se mueven muy lentamente, a pesar de no tener masa.

• Los fermiones de Dirac se refiere a partículas que son distintas de su antipartícula. La mayoría de los fermiones pertenecen en esta categoría. Se puede decir que un fermión de Dirac es equivalente a dos fermiones de Weyl. En contraste, la contraparte del fermión de Dirac es el fermión de Majorana.

La antimateria se refiere a partículas idénticas a su contraparte, misma masa y spin, pero con carga opuesta.

• Los fermiones de Majorana se refiere a partículas que son su propia antipartícula. Cada fermión de Dirac cuenta con una antipartícula, con excepción del neutrino, que aún se desconoce si entra en la categoría de fermiones de Dirac o de Majorana.

Bosones

Existen cuatro fuerzas fundamentales en el universo: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Todas tienen distintos rangos y diferentes fortalezas. La gravedad es la más débil, pero tiene un rango infinito. La fuerza electromagnética también tiene un rango infinito, pero es muchas veces más fuerte que la gravedad. Las fuerzas débiles y fuertes son efectivas solo en un rango muy corto y dominan solo a nivel de partículas subatómicas. A pesar de su nombre, la fuerza nuclear débil es mucho más fuerte que la gravedad. La fuerza nuclear fuerte, como su nombre indica, es la más fuerte de las cuatro interacciones fundamentales.

Tres de las fuerzas fundamentales resultan del intercambio de partículas portadoras de fuerzas, que pertenecen a un grupo más amplio llamado "bosones". Las partículas de materia transfieren cantidades discretas de energía mediante el intercambio de bosones entre sí. Cada fuerza fundamental tiene su propio bosón correspondiente: la fuerza nuclear fuerte es llevada por el "gluón", la fuerza electromagnética es llevada por el "fotón", y los "bosones W y Z" son responsables de la fuerza nuclear débil. Aunque todavía no se ha descubierto, el "gravitón" debería ser el bosón de gauge de la gravedad.

El modelo estándar incluye la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y débil y todas sus partículas transportadoras, y explica bien cómo estas fuerzas actúan sobre todas las partículas de materia. Sin embargo, la fuerza más familiar en nuestra vida cotidiana, la gravedad, no forma parte del Modelo Estándar, ya que ajustar la gravedad cómodamente en este marco, ha demostrado ser un desafío difícil.

Se puede decir que la teoría cuántica, utilizada para describir el micro-universo, y la teoría de la relatividad, utilizada para describir el macro-universo, son muy difíciles de encajar en un solo marco.

Ningún físico ha logrado hacer que ambas teorías sean matemáticamente compatibles en el contexto del Modelo Estándar. Afortunadamente para la física de partículas, cuando se trata de escalas minúsculas de partículas, el efecto de la gravedad es tan débil que pasa a ser insignificante. El efecto de la gravedad solo domina cuando la materia está agrupada en estructuras grandes, como una manzana o un planeta. Por lo tanto, el modelo estándar sigue funcionando bien a pesar de su renuente exclusión de una de las fuerzas fundamentales.

Los bosones mencionados previamente son considerados bosones de gauge. Todos estos bosones de gauge conocidos tienen un spin de 1, ya que corresponden a campos vectoriales, por lo tanto, se les refiere como bosones vectoriales, con excepción del gravitón hipotético, el cual tendría un spin de 2, ya que corresponde a un campo tensorial. Un tensor es un objeto matemático más complejo que un vector, que a su vez es más complejo que un escalar. Un campo tensorial que estire y comprime el espacio en dos direcciones obtiene una partícula con spin 2.

Por otro lado, tenemos los bosones escalares. Realmente solo conocemos un bosón escalar, que es el Bosón de Higgs, y cuenta con un spin de 0, ya que corresponde a un campo escalar sin dirección.

El bosón de Higgs juega un rol fundamental dentro del Modelo Estándar, ya que explica cómo las otras partículas elementales obtienen su masa, con excepción del fotón y el gluón.

A pesar de que el Modelo Estándar de Física de Partículas es la mejor descripción del universo subatómico, no explica la imagen completa. La teoría incorpora solo tres de las cuatro fuerzas fundamentales, omitiendo la gravedad. También hay preguntas importantes que no responde, como ¿Qué es la materia oscura? (*en caso de que exista), ¿Qué le sucedió a la antimateria después del Big Bang?, ¿Por qué los quarks y leptones varían de masa tan drásticamente?, tenemos un sinfín de preguntas que no podemos responder solo con el modelo estándar.

Si bien el Modelo Estándar describe con precisión los fenómenos dentro de su dominio, todavía está incompleto. Quizás sea solo una parte de una imagen más grande que incluye a la Nueva Física.