El modelo Standard de Partículas Elementales

Seminario del Grupo Ciencia, Razón y Fe.
Luis Joaquín Boya Balet. Profesor Emérito, Departamento de Física Teórica, Universidad de Zaragoza. Colaborador del Grupo CRYF, Universidad de Navarra.
Martes, 24 de enero de 2012.

Resumen:

El Modelo Standard de Partículas se estableció en 1975. No hay experimentos que lo contradigan, pero parece muy arbitrario, y buscamos nuevas avenidas.

Las partículas se dividen en dos grupos, "ladrillos", constituyentes de la materia, y "cola", que describen las fuerzas entre los ladrillos. Los ladrillos son fermiones, (tienen spin semientero) y la "cola" bosones, (tienen spin entero). Los fermiones obedecen al principio de exclusión (responsable de la valencia 

 

química), mientras los bosones pueden actuar coherentemente, en un mismo estado (por ejemplo, el láser).

El universo se describe por cuatro tipos de fuerzas, que en orden histórico fueron: La gravedad (descubierta por Newton), que liga la Tierra al Sol, etc; la fuerza electromagnética, bien conocida. Hay dos fuerzas (o interacciones) en el dominio del núcleo atómico, con alcance muy corto: son la interacción "fuerte" (responsable de la estabilidad de los núcleos) y la interacción "débil" (responsable de la desintegración beta). En Mecánica Cuántica cada fuerza tiene portador, que es la partícula(s) "cola" de esa fuerza. El gravitón sería el portador de la fuerza gravitatoria; el fotón, con masa cero y spin uno, el de la fuerza eléctrica. La fuerza nuclear fuerte tiene como portadores los gluones (hay ocho) y la fuerza débil tiene tres portadores, la partícula Z, neutra, con masa de 90 GeV, y la pareja W±, cargadas, de masa algo menor.

Los "ladrillos" se separan en dos grandes grupos, los leptones y los quarks. Hay 2x3 leptones: cargados, como el electrón, o neutros, como los neutrinos; y hay 2x3x3= 18 quarks. Leptones y quarks se agrupan en tres familias o generaciones: los quarks u ("up") y d ("down"), el electrón y el primer neutrino constituyen la primera familia, y hay tres. Los quarks tiene un grado extra de libertad, el "color": hay tres colores por quark y los gluones también están "coloreados". El color está apantallado (sólo se da en confinamiento): los protones uud y neutrones udd que se observan son "incoloros".

Átomos y moléculas forman la materia. Los átomos tienen núcleo, con protones y neutrones, y los electrones danzan alrededor (de ahí la neutralidad del átomo normal).

Otra partícula más es el "bosón de Higgs", H, partícula (aún) hipotética, predicha por el modelo, con spin cero, neutra y muy pesada. Su función es hacer compatible la fuerza débil, de alcance muy corto con las otras, de alcance ilimitado: los portadores débiles son masivos. En cierto sentido, el Higgs es responsable de dotar de masa a todas las partículas.

Aspectos poco satisfactorios del modelo standard son: la gran variación de masas, que va desde los fotones, sin masa, a la partícula Z, con casi un billón de veces la masa del neutrino. Tampoco se entiende por qué hay tres familias casi idénticas: el electrón tiene dos "hermanos", el muón y el tauón, más masivos, que no se encuentran en la materia normal, pero se generan en los rayos cósmicos. Tampoco comprendemos las cuatro "fuerzas" que existen, ni como simetrías de la naturaleza ni en relación unas con otras. En particular, la gravedad no es cuantizable.

Comentemos ahora dos experimentos recientes: En el CERN (Ginebra), creen haber identificado la partícula de Higgs, con una masa muy grande, 125 GeV (si se confirma, sería la "partícula elemental" más pesada). Otro experimento algo anterior, originado en el CERN, pero detectado en Italia (en el Gran Sasso) pretende que los neutrinos, que son masivos, podrían ir a más velocidad que la luz (lo que no es posible de acuerdo con la Teoría de la Relatividad). El experimento debe repetirse (lo que requerirá más de un año), pues, si fuese correcto, una buena parte de la física del siglo XX se derrumbaría. Un consenso (parcial) entre los expertos apunta a que el resultado del experimento es muy dudoso y, por ello, se ha de esperar el veredicto final, experimental, antes de especular.

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