El Modelo Estándar de partículas

El modelo estándar es el nombre dado en la década de 1970 a una teoría de partículas fundamentales y cómo interactúan entre ellas. Incorporó todo lo que se sabía sobre las partículas subatómicas en el momento y predijo la existencia de partículas adicionales también.

modelo estandar de partículas fundamentales
Modelo estandar de partículas

El modelo estandar de partículas


Hay diecisiete partículas con nombre en el modelo estándar. Las últimas partículas descubiertas fueron los bosones W y Z en 1983, el quark top en 1995, el neutrino tau en 2000 y el bosón de Higgs comprobado experimentalmente en el 2012. Las partículas fundamentales son los bloques de construcción de la materia, llamados fermiones, o los mediadores de las interacciones, llamados bosones. Hay doce fermiones con nombre y cinco bosones con nombre en el modelo estándar.

Fermions obedece una regla estadística descrita por Enrico Fermi (1901-1954) de Italia, Paul Dirac (1902-1984) de Inglaterra, y Wolfgang Pauli (1900-1958) de Austria calificó el principio de exclusión. En pocas palabras, los fermiones no pueden ocupar el mismo lugar al mismo tiempo (mas formalmente, no se pueden describir dos fermiones con los mismos números cuánticos).

Los leptones y los quarks son fermiones, pero también lo son las cosas hechas a partir de ellos como protones, neutrones, átomos, moléculas, personas y paredes. Esto concuerda con nuestras observaciones macroscópicas de la materia en la vida cotidiana. La gente no puede atravesar las paredes a menos que la pared se salga del camino.

Los bosones, en cambio, no tienen ningún problema para ocupar el mismo lugar al mismo tiempo (mas formalmente, dos o más bosones pueden describirse por los mismos números cuánticos).

Las reglas estadísticas que obedecen los bosones fueron descritas por primera vez por Satyendra Bose (1894-1974) de la India y Albert Einstein (1879-1955) de Alemania. Gluones, fotones y W, Z y Higgs son todos bosones. Como las partículas que componen la luz y otras formas de radiación electromagnética, los fotones son los bosones con los que tenemos la experiencia más directa. En nuestra experiencia cotidiana, nunca vemos rayos de luz chocar entre sí. Los fotones son como fantasmas. Uno puede pasar por el otro sin ningún efecto.

Fuerzas y partículas portadoras


Hay cuatro fuerzas fundamentales en acción en el universo: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil, la fuerza electromagnética y la fuerza gravitacional. Funcionan en diferentes rangos y tienen diferentes puntos fuertes. La gravedad es la más débil, pero tiene un rango infinito. La fuerza electromagnética también tiene un alcance 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 al nivel de partículas subatómicas. A pesar de su nombre, la fuerza nuclear débil es mucho más fuerte que la gravedad, pero de hecho es la más débil de las otras tres. La fuerza nuclear fuerte, como su nombre indica, es la más fuerte de las cuatro interacciones fundamentales

Hasta aquí todo bien, pero...


No es el momento para que los físicos lo llamen un día por el momento. Aunque el Modelo Estándar es actualmente la mejor descripción del mundo 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?" O ¿Qué pasó con la antimateria después del Bing Bang?, ¿Por qué hay tres generaciones de quarks y leptones con una masa tan diferente?  Y más. 

Por último, pero no menos importante, es una partícula llamada bosón de Higgs, un componente esencial del Modelo Estándar.

El pasado 4 de julio del año 2012, los reconocidos experimentos de CMS y ATLAS en el Large Hadron Collider o también conocidos como LHC del CERN, dieron a conocer que cada uno había visualizado una partícula nueva en la región de las masas de alrededor de unos 126 GeV (Giga electronvolt). Dicha partícula es sumamente consistente con el bosón de Higgs, pero se necesitará más trabajo para determinar si es o no el bosón de Higgs anteriormente predicho por el reconocido Modelo Estándar.

El bosón de Higgs, como se propuso en su momento dentro del Modelo Estándar, es la manifestación realmente simple del mecanismo de Brout-Englert-Higgs. Otros tipos de bosones de Higgs son predichos por otras teorías que van más allá del Modelo Estándar.

El 8 de octubre de 2013, el Premio Nobel de Física fue otorgado conjuntamente a François Englert y Peter Higgs por el descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a la comprensión del origen de la masa de partículas subatómicas, y que recientemente se confirmó mediante el descubrimiento del partícula fundamental prevista, por los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Entonces, aunque el Modelo Estándar describe con precisión los fenómenos dentro de su dominio, todavía está incompleto. Tal vez sea solo una parte de una imagen más amplia que incluya una nueva física escondida en lo profundo del mundo subatómico o en los recovecos oscuros del universo. La nueva información de experimentos en el LHC nos ayudará a encontrar más de estas piezas faltantes.

La búsqueda del próximo modelo superior científico

gato negro de schrodinger
¿El gato de Schrodinger esta vivo o muerto?


Conocer la masa y la energía de estas partículas favorecerá algunas de las nuevas adiciones teóricas y hará que otros no entren en conflicto.

Cuantas más partículas nuevas encontremos, más estrecho será el campo de refinamiento del modelo. Cualquier partícula nueva y pesada que se encuentre dará como resultado algunos caracteres nuevos en la ecuación del Modelo estándar y los comienzos de una fila o columna adicional en la tabla adjunta. Este 'Modelo Estándar Plus' podría dar cuenta de la masa de neutrinos, la cuestión de la antimateria y materia, la materia oscura y la energía oscura.

Pero dar cuenta de la gravedad no ocurrirá sin cambiar a una nueva teoría en conjunto: una que explique todas las partículas y fenómenos conocidos, así como el modelo actual, pero que también puede funcionar con la gravedad y las teorías de la gravedad cuántica no serán validadas por aceleradores de partículas en el corto plazo. Las energías requeridas para probarlas están más allá del rango de incluso los más grandes asesinos de átomos.

Lo que los científicos han aprendido sobre la naturaleza de la materia a nivel microscópico y su relación con lo que los humanos observan a nivel macroscópico aún no se ha explorado por completo. El papel del observador sigue siendo una cuestión importante en el estudio de la física cuántica y es una fuente inagotable de especulación y conjeturas en la informática cuántica y la cultura pop. Se rumorea que el propio Schrödinger dijo, más adelante en la vida, que deseaba no haber conocido a ese gato.

En pocas palabras, si algo podría ser, toma en cuenta las posibilidades. Si estas resolviendo un problema, debes considerar ambos sucesos y, por lo tanto, resolver ambas soluciones. Los juegos de azar y muchas otras aplicaciones científicas hacen usan las probabilidades todo el tiempo para tomar decisiones. Si volamos, es porque sabemos que lo más probable es que lleguemos con seguridad.

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