El modelo estándar es una teoría de la física de partículas que explica cómo interactúan entre sí las partículas y fuerzas fundamentales del universo. Combina la mecánica cuántica y la relatividad especial para proporcionar un marco para comprender la estructura de la materia en las escalas más pequeñas. El Modelo Estándar está respaldado por evidencia experimental y es una de las teorías científicas más rigurosamente probadas.
El Modelo Estándar describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas en el universo: electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte. No incluye la gravedad, que está descrita por la relatividad general. El modelo clasifica todas las partículas elementales conocidas en dos grupos principales: fermiones y bosones.
Los fermiones son los componentes básicos de la materia. Se subdividen en dos grupos: quarks y leptones. Los quarks vienen en seis "sabores": arriba, abajo, encantador, extraño, superior e inferior. Se combinan de maneras específicas para formar protones y neutrones, que forman los núcleos de los átomos. Los leptones incluyen electrones, muones, taus y sus correspondientes neutrinos. Los electrones orbitan alrededor del núcleo atómico formado por protones y neutrones, formando los átomos.
Los bosones son partículas que median las fuerzas fundamentales entre fermiones. El fotón ( \(\gamma\) ) es el portador de la fuerza electromagnética, los bosones W y Z median la fuerza nuclear débil y los gluones ( \(g\) ) transportan la fuerza nuclear fuerte. El bosón de Higgs ( \(H\) ) es una partícula especial asociada con el campo de Higgs, que da masa a otras partículas.
La fuerza electromagnética está descrita por la teoría de la electrodinámica cuántica (QED). Es responsable de las interacciones entre partículas cargadas mediante el intercambio de fotones. La fuerza electromagnética une los electrones a los núcleos atómicos, formando átomos. La ecuación de interacción de la fuerza electromagnética se puede representar como:
\( F = \frac{k e \cdot q 1 \cdot q_2}{r^2} \)donde \(F\) es la fuerza, \(k e\) es la constante de Coulomb, \(q1\) y \(q_2\) son las cargas, y \(r\) es la distancia entre las cargas.
La fuerza nuclear débil es responsable de la desintegración radiactiva y de ciertas reacciones nucleares. Está mediado por los bosones W y Z. Un ejemplo de un proceso que involucra la fuerza débil es la desintegración beta, donde un neutrón en el núcleo de un átomo se transforma en un protón, emitiendo un electrón y un antineutrino electrónico ( \(\bar{\nu}_e\) ). La interacción se puede representar como:
\( n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \)La fuerza nuclear fuerte une los quarks para formar protones y neutrones y mantiene unido el núcleo atómico. Es la más fuerte de las cuatro fuerzas fundamentales pero actúa en distancias muy cortas. La fuerza fuerte está mediada por gluones y su fuerza está descrita por la Cromodinámica Cuántica (QCD). La fuerza entre quarks viene dada por:
\( F_{strong} \propto \frac{1}{r^2} \textrm{ a distancias cortas} \)pero aumenta con la distancia, confinando a los quarks dentro de protones y neutrones.
El mecanismo de Higgs explica cómo las partículas adquieren masa. Propone un campo, el campo de Higgs, que impregna el universo. Las partículas que interactúan con este campo ganan masa; cuanto más fuerte es la interacción, más pesada es la partícula. El bosón de Higgs es la partícula cuantificada asociada a este campo, descubierta en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.
Las predicciones del modelo estándar han sido confirmadas mediante numerosos experimentos. Los descubrimientos notables incluyen el quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012). El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN y el colisionador Tevatron del Fermilab desempeñaron papeles cruciales en estos descubrimientos. Estos experimentos implican la colisión de partículas a altas energías y la observación de los resultados, lo que proporciona información sobre los constituyentes fundamentales de la materia y las fuerzas que actúan sobre ellos.
Si bien el modelo estándar ha tenido un gran éxito, tiene limitaciones. No explica la materia y la energía oscuras del universo, la asimetría materia-antimateria ni la fuerza de gravedad. Teorías como la supersimetría y la teoría de cuerdas proponen extensiones del modelo estándar para abordar estos misterios, pero aún falta evidencia experimental para estas teorías.
La investigación en curso en física de partículas tiene como objetivo profundizar nuestra comprensión del universo, lo que podría conducir a una teoría más completa que incluya las cuatro fuerzas fundamentales y resuelva las preguntas sin respuesta del Modelo Estándar.
