Un vistazo rápido al Modelo Estándar de Física de Partículas

Si alguien ha visto la serie The Big Bang Theory, probablemente se haya fijado en que prácticamente cada vez que Sheldon, Leonard, Raj o Howard están en la universidad aparece el siguiente poster (o uno muy similar) colgado en alguna de las paredes de los pasillos.

Standard Model Particles and their interactions

El modelo estándar de partículas fundamentales y sus interacciones

Esta imagen representa todo lo que conocemos, y que se ha podido verificar experimentalmente, sobre la estructura de la materia de la que estamos hechos nosotros y todo lo que hasta ahora hemos observado en el universo, con el nivel de precisión que podemos alcanzar utilizando los instrumentos que tenemos.

Vamos intentar desgranar la imagen poco a poco.

Atomo

Estructura interna del átomo

Prácticamente todos sabemos que los átomos tienen dos partes: la corteza en la que se encuentran los electrones y el núcleo que se compone de protones y neutrones. Los electrones tienen carga eléctrica negativa y son los responsables de, por ejemplo, conducir la electricidad (cuándo están libres) o hacer que las cosas tengan un color u otro (debido a los saltos que dan los electrones entre los diferentes niveles de energía posibles del átomo, pero esa es otra historia). Los protones tienen carga eléctrica positiva y en número es la misma que la de los electrones, por lo que tenemos que en condiciones normales el átomo es eléctricamente neutro. Los neutrones no tienen carga eléctrica, es decir, son neutros.

Los electrones son partículas fundamentales en si mismas, no se pueden descomponer en otras partículas más elementales, pero los protones y los neutrones si que pueden romperse en otras partículas más pequeñas. Estas partículas son los quarks, en concreto dos de los seis que existen, el quark up y el quark down. El protón se compone de dos quarks up y un down y el neutrón de dos down y un up.

Desde hace unos años (de hecho bastantes), se está proponiendo a nivel teórico que los quarks y los electrones no son partículas puntuales, sino que en realidad son pequeñas cuerdas de energía que están vibrando y que dependiendo del modo que vibren dan como resultado las propiedades de los quarks o de los electrones (y de otras partículas que veremos después también). Sin embargo, esta teoría todavía no se ha comprobado experimentalmente y de hecho está más allá del modelo estándar del que estamos hablando.

Los electrones, así como sus primos más pesados conocidos como muones y taus o sus primos más ligeros los neutrinos, son conocidos como leptones y junto con los quarks estas partículas son denominadas fermiones. Reciben este nombre porque su comportamiento obedece la estadística de Fermi-Dirac y por lo tanto verifican el principio de exclusión de Pauli que viene a decir que no puede haber dos fermiones con todos sus números cuánticos idénticos (para entenderlo, recomiendo esta entrada de El zombi de Schrödinger que hace una analogía con urinarios y es de las mejores explicaciones, a la vez que muy divertida, del principio de exclusión)

Hay que remarcar que cada fermión tiene asociada una antipartícula, que es la misma pero con la carga opuesta. Por ejemplo la antipartícula del electrón es el positrón (que es distinto del protón, no confundirlo) y la antipartícula del quark up es el antiquak up. Las antipartículas se representan con el mismo símbolo que la partícula pero con una barra arriba.

Fermiones

Fermiones y sus propiedades

Cada leptón grande, es decir, el electrón, el muón y el tau, tiene un primo pequeño. Así el electrón tiene un neutrino electrónico, el muón un neutrino muónico y el tau un neutrino tau. Como se puede ver en la tabla anterior la única diferencia entre el electrón, el muón y el tau es la masa, que va creciendo. Todos tienen carga eléctrica negativa. Los neutrinos en cambio no tienen carga y tienen una masa muy pequeña (pero tienen y es una de las razones por la que se dice que los neutrinos cambian de sabor, es decir cuando salen, por ejemplo, del sol salen en forma de neutrinos electrónicos pero cuando los detectamos en la tierra, vemos que llegan menos neutrinos electrónicos de los que deberían, porque durante el viaje han cambiado de sabor y se han convertido en neutrinos muónicos o tau).

Antes hemos hablado de dos tipos de quarks, el up y el down, que son los que forman los protones y los neutrones, pero también tenemos los quarks charm, strange, top y bottom. Los nombres que tienen se debe a que los físicos, aunque no lo parezca son gente divertida y les gusta poner nombres raros a estas cosas, aunque casi todo el mundo los llama simplemente u, d, c, s, t y b.

Los quarks c, s, t y b no forman parte de la materia ordinaria por si mismos, sino que son resultado de colisiones de alta energía entre otras partículas (por ejemplo dos protones como hacen en el LHC y sobre todo gracias a la famosa ecuación de Einstein E = mc2) o en desintegraciones nucleares.

Una de las peculiaridades que tienen los quarks es que nunca se encuentran solos en la naturaleza, sino que siempre están agrupados, como en el caso del protón y del neutrón. Además de las partículas que forman los núcleos atómicos, también se pueden encontrar agrupados formando otras partículas.

Bariones

Unos cuantos bariones

Los bariones se componen de tres quarks o tres antiquarks. En este último caso se denominan antibariones.

Los mesones se componen de dos quarks y obligatoriamente uno es un quark y el otro un antiquark.

Mesones

Unos cuantos mesones

Por otro lado tenemos los bosones.

Bosones_juntos

Bosones

Se llaman bosones porque, al contrario que los fermiones, éstos obedecen la estadística de Bose-Einstein que dice que pueden existir en el mismo estado cuántico muchas bosones al mismo tiempo (recordad que en el caso de los fermiones sólo podía haber dos en el mismo estado cuántico). Algunos bosones tienen la peculiaridad de que son los portadores de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, es decir, cada vez que ocurre una interacción entre dos partículas, lo que realmente ocurre es que intercambian un bosón. Estas fuerzas son el electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte (vienen a continuación). Existe otro bosón, aunque sólo a nivel teórico, conocido como el gravitón que sería el responsable de la fuerza gravitatoria. La fuerza gravitatoria no está explicada por el modelo estándar y por lo tanto el gravitón, no forma parte del mismo.

Estas fuerzas o interacciones están representadas a continuación.

Interacciones

Interacciones fundamentales

La fuerza débil es la responsable de las desintegraciones radiactivas, es decir, que una partícula se convierta en otra a través de la emisión de una o más partículas adicionales. Esta interacción es mediada por los bosones W+, W- y Z0. Estos bosones tienen la particularidad de que tienen masa, al contrario que el resto de bosones.

La fuerza fuerte hace que los quarks que componen los núcleos atómicos se mantengan unidos y no se rompan espontáneamente. El bosón encargado de hacer esto es el gluón.

La fuerza electromagnética es la que más conocemos todos, ya que se compone de la fuerza eléctrica y la fuerza magnética (en realidad es una única fuerza que se manifiesta de dos maneras diferentes, de ahí que reciba el nombre de fuerza electromagnética). El bosón portador de esta fuerza es el fotón. Nuestra experiencia diaria se basa principalmente en sufrir los efectos de esta fuerza y cada vez que vemos la luz, sentimos calor, calentamos la comida en el microondas, etc., lo que estamos haciendo es interaccionar con fotones de diversas energías.

Cómo hemos mencionado antes, las partículas interaccionan entre si y lo hacen constantemente.

Decaimientos

Interacciones entre partículas

En la imagen de la izquierda se representa como un neutrón se desintegra para dar un protón, un electrón y un antineutrino electrónico. Esta desintegración es conocida como desintegración beta.

En la imagen central se muestra la colisión entre un electrón y un positrón que da lugar a una desintegración de materia en energía pura, otra vez a través de la ecuación de Einstein E=mc2. La energía se convierte, por la misma ecuación, otra vez en otras partículas diferentes. En este caso se forma un mesón B0 y un antimesón B0.

Por último, en la imagen de la derecha aparece la colisión de dos protones (como los que ocurren en el LHC del CERN) para dar lugar a dos bosones Z0 y varios hadrones, es decir, varias partículas compuestas de diferentes quarks (mesones y bariones).

Estas no son las únicas interacciones que pueden tener lugar, hay muchas más y siguen unas determinadas reglas de conservación (por ejemplo, conservación de energía, conservación de momento, etc.), pero son un buen ejemplo

A nivel matemático, el modelo estándar es bastante complicado y difícil de entender, pero al nivel de partículas fundamentales que lo componen y sus interacciones es más sencillo y cabe en un poster que se puede colgar en la pared de cualquier pasillo universitario.

Referencias

The Particle Adventure

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3 pensamientos en “Un vistazo rápido al Modelo Estándar de Física de Partículas

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