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.

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.

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 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.

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.

Unos cuantos mesones

Por otro lado tenemos los bosones.

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 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.

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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A quick look at the Standard Model of Particle Physics

If someone has ever watched the The Big Bang Theory show, probably it would have noticed that every time that Sheldon, Leonard, Raj or Howard are at the university this poster is hanged on the walls of the halls.

 

The Standard Model of Fundamental Particles and their interactions

This image represents everything we know, and that has been experimentally verified, about the structure of the matter we are made and everything we have observed in the universo, with the precisión we are able to reach using the instruments we have.

Let’s try to explain the image.

Inner structure of the atom

Basically, all of us know that atoms have two differentiated parts: an outer shell where the electrons are and the nucleus, which is made of protons and neutrons.

The electrons have negative charge and are responsible of, for instance, conducting electricity (when they are free) or make things have one colour or another (due to the transitions between the different possible energy levels of the atom, but that is another story). Protons have positive electric charge and in the same quantity as electrons so that the atom is electrically neutral. Neutrons do not have electric charge they are neutral.

Electrons are fundamental particles by themselves; they cannot be broken down in other more elementary particles, but protons and neutrons can broken down in smaller particles. These particles are the quarks, concretely two of the six that exist, the quark up and the quark down. Since some years ago, it is being proposed, at a theoretical level that quarks and electrons are not point-like particles but small strings made of pure energy that are vibrating. Depending on how they vibrate, they exhibit the properties of electron or quarks (and the rest of particles we are going to see later). However, this theory has not yet verified by experiments and, in fact it is beyond the standard model we are dealing with.

Electrons, as well as their heavy cousins known as muons and taus or their lighter cousins the neutrinos, are known as leptons, and together with the quarks they are known as fermions. The reason for this name is that they obey the Fermi-Dirac statistics and thus they verify the Pauli exclusion principle, which says that it is not possible to find two fermions in the same quantum state simultaneously.

It has to be highlighted that every fermion has associated an antiparticle, which is the same particle but with the opposite charge. For instance, the antiparticle of the electron is the positron (which is different to the proton) and the antiparticle of the quark up is the antiquark up. The antiparticles are represented with the same symbol as the particle but with a at its top.

Fermions and their properties

Each lepton, that is the electron, the muon and the tau, has a lighter cousin. The electron has an electron neutrino, the muon a muon neutrino and the tau a tau neutrino. As can be seen in the table above, the only difference between the electron, the muon and the tau is that the mass increases. All of them have a negative electric charge. Neutrinos do not have electric charge and have a very small mass (but they have mass indeed and this is one of the reasons why they change flavour, which means that when, for instance, they start their travel to the earth from the sun they are electron neutrinos but when we detect them on the earth we measure less electron neutrinos than expected because during their travel they have change their flavour and have transformed into muon or tau neutrinos.

Above we have talked about two types of quarks, the up and the down quark, which are the ones that make the protons and neutrons up, but we also have the quarks charm, strange, top and bottom. The names they have is because physicists are funny people, although it may look like the opposite and they like to put strange names to these things. However they are better known as u, d, c, s, t and b quarks.

Quarks c, s, t and b does not form part of the ordinary matter by themselves, but they are the result of high energy collisions between other particles (for example, between two protons as it is done in the LHC and mainly thanks to the famous Einstein equation E = mc²) or in nuclear decays.

One of the peculiarities of quarks is that they are never alone in nature but grouped, as in the case of the proton and the neutron. Apart form the particles that make the atomic nucleus up, they can be also found forming other particles.

A few baryons

Baryons are made of three quarks or three antiquarks. In the latter case they are known as antibaryons.

Mesons are made of two quarks and mandatorily one is a quark and the other one an antiquark.

A few mesons

On another hand we have the bosons.

Bosons

They are called bosons because, opposite to fermions, they obey the Bose-Einstein statistics, which says that they many bosons can exist in the same quantum state at the same time (remember that only two fermions can be in the same quantum state). Some bosons have the particularity that they are the carriers of the fundamental forces of nature, each time two particles interact, what they are doing is to exchange a boson. These forces are the electromagnetism, the weak force and the strong force. There is another boson for the gravitational force, known as the graviton. The standard model does not explain the gravitational force and thus the graviton does not form part of it.

These forces or interactions are represented hereafter.

Fundamental interactions

The weak force is the responsible for the radioactive decays, which occurs when a particle transforms into another particle through the emission of one or more additional particles. This interaction is mediated by the W+, W- y Z⁰ bosons. This bosons, opposite to the rest of the bosons, have mass.

The strong force makes that the quarks that make the atomic nucleus up are kept together and don’t break spontaneously. The boson in charge of this task is the gluon.

The electromagnetic force is the better known by all of us, because it is composed of the electric and magnetic forces (in fact it is just a single force that is revealed in two different ways and that is why it is called electromagnetic force). The boson that carries this force is the photon. Our daily experience is based on this force and every time we see the light, feel the heat, cook the meal in the microwave, etc., what we are doing is interacting with photons of different energies.

As we have said before, particles are interacting with each other and they are doing it permanently.

 

Particle interactions.

In the left image, it is represented how a neutron decays to produce a proton, an electron and an antielectron neutrino. This decay is known as beta decay.

In the middle it is shown a collision between an electron and a positron that gives rise to a disintegration of matter into pure energy, again through the Einstein’s equation E=mc². The energy then transforms again, by the same equation, in different particles. In this case it is form a B⁰ meson and an anti B⁰ meson.

Lastly, in the right image appears a collision between two protons (as those that occur in the LHC at CERN) to produce two Z⁰ bosons and a number of assorted hadrons, which can be mesons or baryons.

This are not the only interactions that can happen, there are many other more and they follow strict conservation rules (for instance, energy conservation, momentum conservation, etc.), but they are a good example.

At a mathematical level, the standard model is quite complex and difficult to understand but at the level of the fundamental particles that make it up and their interactions is much easier and can be explained in a poster that can be hanged on the wall of any university hall.

References:

The Particle Adventure