Modelo Estándar: definición y fundamentos de la física de partículas

Los fermiones son partículas que se unen para formar toda la "materia" que vemos. Ejemplos de grupos de fermiones son el protón y el neutrón. Los fermiones tienen propiedades, como la carga y la masa, que pueden verse en la vida cotidiana. También tienen otras propiedades, como el espín, la carga débil, la hipercarga y la carga de color, cuyos efectos no suelen aparecer en la vida cotidiana. Estas propiedades reciben números llamados números cuánticos.

Los fermiones son partículas cuyo número de espín es igual a un número impar y positivo por la mitad: 1/2, 3/2, 5/2, etc. Decimos que los fermiones tienen "espín medio entero".

Un hecho importante sobre los fermiones es que siguen una regla llamada principio de exclusión de Pauli. Esta regla dice que no hay dos fermiones que puedan estar en el mismo "lugar" al mismo tiempo, porque no hay dos fermiones en un átomo que puedan tener los mismos números cuánticos al mismo tiempo. Los fermiones también obedecen a una teoría llamada estadística de Fermi-Dirac. La palabra "fermión" hace honor al físico Enrico Fermi.

Hay 12 tipos diferentes de fermiones. Cada tipo se llama "sabor". Sus nombres son:

• Quarks - arriba, abajo, extraño, encanto, superior, inferior
• Leptones - electrón, muón, tau, neutrino del electrón, neutrino del muón, neutrino del tau. El electrón es el leptón más conocido.

Los quarks se agrupan en tres pares. Cada par se llama "generación". El primer quark de cada par tiene carga 2/3, y el segundo quark tiene carga -1/3. Los tres tipos de neutrinos tienen carga 0. El electrón, el muón y el tau tienen carga -1.

La materia está hecha de átomos, y los átomos están hechos de electrones, protones y neutrones. Los protones y los neutrones están formados por quarks up y down. Puedes encontrar un leptón solo, pero nunca puedes encontrar quarks solos. Esto se debe a que los quarks se mantienen unidos por la fuerza del color.

Los bosones son el segundo tipo de partícula elemental del modelo estándar. Todos los bosones tienen un espín entero (1, 2, 3, etc.) por lo que muchos de ellos pueden estar en el mismo lugar al mismo tiempo. Hay dos tipos de bosones, los bosones gauge y el bosón de Higgs. Los bosones gauge son los que hacen posible las fuerzas fundamentales de la naturaleza. (Todavía no estamos seguros de que la gravedad funcione a través de un bosón gauge.) Toda fuerza que actúa sobre los fermiones ocurre porque los bosones gauge se mueven entre los fermiones, llevando la fuerza. Los bosones siguen una teoría llamada estadística de Bose-Einstein. La palabra "bosón" hace honor al físico indio Satyendra Nath Bose.

El modelo estándar dice que hay:

• 12 fermiones, cada uno con su propia antipartícula;
• 12 bosones gauge: 8 tipos de gluones, el fotón, W ⁺, W ^-, y Z;

Todas estas partículas se han visto en la naturaleza o en el laboratorio. El modelo también predice que existe un bosón de Higgs. El modelo dice que los fermiones tienen masa (no son sólo energía pura) porque los bosones de Higgs viajan de un lado a otro. Se cree que el bosón de Higgs fue descubierto el 4 de julio de 2012. Es la partícula que da masa a otras partículas.

Existen cuatro fuerzas básicas conocidas de la naturaleza. Estas fuerzas afectan a los fermiones y son transportadas por bosones que viajan entre esos fermiones. El modelo estándar explica tres de estas cuatro fuerzas.

• La fuerza fuerte: Esta fuerza mantiene unidos a los quarks para formar hadrones como los protones y los neutrones. La fuerza fuerte es transportada por los gluones. La teoría de los quarks, la fuerza fuerte y los gluones se llama cromodinámica cuántica (QCD).
• La fuerza fuerte residual mantiene unidos a los protones y neutrones para formar el núcleo de cada átomo. Esta fuerza es transportada por los mesones, que están formados por dos quarks.
• Fuerza débil: Esta fuerza puede cambiar el sabor de un fermión y provoca la desintegración beta. La fuerza débil es transportada por tres bosones gauge: W ⁺, W ^-, y el bosón Z.
• Fuerza electromagnética: Esta fuerza explica la electricidad, el magnetismo y otras ondas electromagnéticas, incluida la luz. Esta fuerza es transportada por el fotón. La teoría combinada del electrón, el fotón y el electromagnetismo se llama electrodinámica cuántica.
• La gravedad: Es la única fuerza fundamental que no se explica por el MS. Es posible que sea transportada por una partícula llamada gravitón. Los físicos están buscando el gravitón, pero aún no lo han encontrado.

Las fuerzas fuertes y débiles sólo se ven dentro del núcleo de un átomo. Sólo actúan a distancias muy pequeñas: distancias tan grandes como un protón. La fuerza electromagnética y la gravedad actúan a cualquier distancia, pero su intensidad disminuye a medida que los objetos afectados se alejan. La fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia entre los objetos afectados: por ejemplo, si dos objetos se alejan el doble el uno del otro, la fuerza de gravedad entre ellos se vuelve cuatro veces menos fuerte (2 ²=4).

El modelo estándar no llega a ser una teoría del todo. No incluye la teoría completa de la gravitación descrita por la relatividad general, ni explica la expansión acelerada del universo (descrita posiblemente por la energía oscura). El modelo no contiene ninguna partícula de materia oscura que tenga todas las propiedades observadas en la cosmología observacional. Se cree que el MS es teóricamente autoconsistente. Ha demostrado enormes y continuos éxitos en las predicciones experimentales, pero deja algunas cosas sin explicar.