Modelo estándar

Partículas que constitúen o Modelo Estándar

O Modelo Estándar (abreviado ás veces como SM, do inglés Standard Model) en física de partículas trata de describir os fenómenos coñecidos asociados ó mundo das partículas fundamentais e ás súas interaccións (o comportamento dos seis tipos de quark, seis de leptóns, as catro interaccións fundamentais (ou forzas fundamentais: Interacción nuclear forte, interacción nuclear débil e electromagnetismo ou interacción elecrodébil, e gravitación)e as catro partículas asociadas a elas e o bosón de Higgs. Un dos alicerces do modelo é a identificación de cantidades conservadas nas interaccións entre as partículas fundamentais e a relación entre estas cantidades e o espazo-tempo ou con simetrías internas.

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

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.

Ata se 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