EL MODELODE LA FISICA ACTUALJAVIER DE LUCAS

Descubierto por C.N.Yang y su discpulo R.L.Mills en 1954, el Campo de Yang-Mills es una generalizacin del Campo de Maxwell, introducido un siglo antes por James Clerck Maxwell, el precursor de las Teoras de Campos. Veinte aos despus de que fuera propuesto el Campo de Yang-Mills, Gerardus t Hooft demostr que es una Teora perfectamente definida de interacciones entre partculas. Hoy, el Campo de Yang-Mills ha hecho posible una Teora Global de toda la materia, que se conoce como Modelo Estndar

El Modelo Estndar de la Fsica de partculas es una Teora que describe tres de las cuatro interacciones fundamentales conocidas (Electromagntica, Nuclear Fuerte y Nuclear Dbil) entre partculas elementales que componen toda la materia.

Es una Teora Cuntica de Campos que es consistente con la Mecnica Cuntica y la Relatividad Especial.

Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el Modelo Estndar estn de acuerdo con sus predicciones

El Universo puede explicarse a partir de:36 quarks12 leptones8 gluones3 bosones W+,W-, Z1 fotn...y 1 o ms bosones de HiggsTOTAL: 61 partculas...o ms.

EL MODELO ESTANDAR NO INCLUYE LA INTERACCION GRAVITATORIA

El Modelo Estndar agrupa dos Teoras importantes: el Modelo Electrodbil (Electrodinmica Cuntica)

QED

y la Cromodinmica Cuntica

QCD

lo que proporciona una teora internamente consistente que describe las interacciones entre todas las partculas observadas experimentalmente.

Tcnicamente, la teora cuntica de campos proporciona el marco matemtico para el Modelo Estndar

La Teora de Weinberg-Salam muestra que el electromagnetismo y la interaccin dbil son lo mismo en tanto que surgen del intercambio de la misma familia de partculasEl resultado final de la Teora es reducir el nmero de fuerzas fundamentales de cuatro a tres: gravedad, nuclear fuerte y electrodbil.ELECTRODINAMICA CUANTICAEn 1971, el fsico holands Gerard tHooft mostr que la adicin del bosn Z0 proporcionaba el tipo justo de infinitos que eliminaban los W+ y W-, y que la Teora que inclua a los tres era renormalizable.

CROMODINAMICA CUANTICAAdems de carga elctrica, las partculas pueden llevar cargas de color de tres tipos: rojo, azul y verde. Los quarks solo pueden reunirse en conjuntos cuyo color sea blanco. La QCD proporciona una teora de la interaccin de los quarks que satisface el principio de simetra gauge, lo que unifica la interaccin fuerte con la electrodbil.La QED y la QCD se unifican a 1015 GeV

Segn el Modelo Estndar toda la materia conocida esta constituida de partculas que tienen una propiedad intrnseca llamada espn cuyo valor es 1/2. En los trminos del Modelo Estndar todas las partculas de materia son fermiones. Por esta razn, siguen el principio de exclusin de Pauli de acuerdo con el teorema de la estadstica del spin, y es lo que causa su calidad de materia.

Aparte de sus antipartculas asociadas, el Modelo Estndar explica un total de doce tipos diversos de partculas de materia. Seis de stos se clasifican como quarks (up, down, strange, charm, top y bottom, cada uno con tres colores), y los otros seis como leptones (electrn, mun, tau, y sus neutrinos correspondientes), ms sus correspondientes antipartculas. En total, 48 partculas.

FERMIONESPARTICULAS DE MATERIA

Las partculas de la materia tambin llevan cargas que las hacen susceptibles a las fuerzas fundamentales. Pares de cada grupo (un quark tipo up, un quark tipo down, un lepton tipo down y su neutrino correspondiente) forman las familias. Las partculas correspondientes entre cada familia son idnticas la una a la otra, a excepcin de su masa y de su sabor.

ELECTRON Y POSITRON

No mucho despus de descubrirse experimentalmente que los neutrinos existen, se descubri que no hay un neutrino, sino tres: uno asociado al electrn y otros dos asociados a otros dos leptones (el mun y el taun.

Cada neutrino puede tomar parte en las reacciones nucleares en las que aparece su leptn particular. Por lo tanto, no basta con decir neutrino, sino que hay que especificar: existe un neutrino electrnico, un neutrino munico y un neutrino taunico. Por ejemplo, en la desintegracin beta se produce un electrn, de modo que el neutrino que ah toma parte tiene que ser un neutrino electrnico.

Adems, el neutrino tiene una antipartcula, el antineutrino. De hecho, hoy sabemos que la partcula que propuso Pauli para explicar la desintegracin de un neutrn en un protn y un electrn no es un neutrino: es un antineutrino electrnico.

El Modelo Estndar explica las fuerzas como el resultado del intercambio de otras partculas por parte de las partculas de materia, conocidas como partculas mediadoras fuerza. Los fotones median la fuerza electromagntica entre las partculas elctricamente cargadas. El fotn no tiene masa y est descrito por la teora de la electrodinmica cuntica. BOSONESPARTCULAS MEDIADORAS DE FUERZASLos bosones de gauge W+, W, y Z0 median las interacciones nucleares dbiles entre las partculas de diversos sabores (todos los quarks y leptones). Son masivos, con el Z0 ms masivo que los W . Estos tres bosones gauge junto con los fotones se agrupan juntos y median colectivamente las interacciones electrodbiles.

Los ocho gluones median las interacciones nucleares fuertes entre las partculas cargadas con color (los quarks). Los gluones no tienen masa. La multiplicidad de los gluones se etiqueta por las combinaciones del color y de una carga de anticolor (es decir, Rojo-anti-Verde). Como los gluones tienen una carga efectiva de color, pueden interactuar entre s mismos. Los gluones y sus interacciones se describen mediante la QCD (Teora de la Cromodinmica Cuntica)

HADRONESLA MATERIA

BARIONES

MESONES

El Modelo Estndar no es la teora final. El Modelo Estndar no incluye a la gravedad. Adems, aunque no est claro dnde estn los lmites, parece probable que para energas muy grandes (mucho mayores que las que experimentamos en la vida cotidiana) el Modelo Estndar no es vlido. Sin embargo, estas limitaciones son conocidas desde el principio, y el Modelo Estndar es, conscientemente, una teora parcial.

Sin embargo, antes incluso de que existiera el modelo formalmente, ya se vio un problema terico importante. La forma ms sencilla del Modelo Estndar que poda proponerse, la que tena el menor nmero de suposiciones posibles y la mayor sencillez matemtica, era de una gran belleza y coherencia, salvo por un pequeo problema: segn la forma sencilla del modelo, todas las partculas deberan tener masa nula y moverse, siempre, a la velocidad de la luz.

Por supuesto, nadie supuso que la forma simple del Modelo fuera la correcta. Es evidente que hay muchas partculas que s tienen masa, y que nunca se mueven a la velocidad de la luz. De hecho, slo algunas no tienen masa, y son justo sas las que s se mueven siempre a la velocidad de la luz. La pregunta inmediata que se hicieron los cientficos, naturalmente, fue por qu? Si la versin simple del modelo no funcionaba, es que faltaba algo ms: una extensin al modelo, algn tipo de mecanismo por el que pudiera deducirse la existencia de la masa.

La respuesta a este problema fue dada por varios fsicos casi al mismo tiempo, en varios equipos y de manera independiente, en 1964. Entre ellos se encuentran Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnik, C. R. Hagen, Tom Kibble y sobre todos Peter Higgs

La partcula asociada al Campo de Higgs es una partcula elemental escalar masiva hipottica predicha por el Modelo Estndar, y la nica partcula fundamental predicha por ese Modelo que no se ha observado completamente hasta ahora. Esto es en parte porque requiere una cantidad excepcionalmente grande de energa para crearla y observarla bajo circunstancias de laboratorio. No tiene ningn spin intrnseco, y (como las partculas mediadoras de fuerza) se clasifica as como bosn.

El boson de Higgs desempea un papel nico en el Modelo Estndar, y un papel dominante en explicar los orgenes de la masa de otras partculas elementales, particularmente la diferencia entre el fotn sin masa y los bosones pesados W y Z. BOSON DE HIGGSLa masa de todas las partculas conocidas es el nombre que damos a la intensidad de su interaccin con el campo de Higgs. El propio concepto de masa es una forma de referirnos a algo ms profundo y fundamental: la interaccin mayor o menor de cada partcula con el campo de Higgs.

El Modelo Estndar predeca la existencia de los bosones W y Z, el glun, y los quarks top y charm antes de que esas partculas hubiesen sido observadas. Sus propiedades predichas fueron experimentalmente confirmadas con gran precisin.El Large Electron-Positron collider (LEP) en el CERN prob varias predicciones entre los decaimientos de los bosones Z, y las confirm.Para obtener una idea del xito del Modelo Estndar una comparacin entre los valores medidos y predichos de algunas cantidades se muestran en la siguiente tabla:

1.- 36 quarks que se presentan en 6 sabores y 3 colores y sus rplicas en antimateria para describir las interacciones fuertes.

2.- Ocho camplos de Yang-Mills para describir los gluones que ligan los quarks

3.- Cuatro campos de Yang-Mills para describir las fuerzas dbil y electriomagntica.

4.- Seis tipos de leptones para describir las interacciones dbiles (incluyendo el electrn, el mun, el leptn tau y sus respectivos neutrinos).

5.- Un gran nmero de partculas de Higgs necesarias para ajustar las masas y las constantes que describen a las partculas.

6.- Al menos 19 constantes arbitrarias que describen las masas de las partculas y las intensidades de las diversas interacciones. Estas 19 constantes deben ser introducidas, no estn determinadas por la teora.RESUMENREQUERIMIENTOS DEL MODELO ESTANDAR

Incluso cuando el Modelo Estndar ha tenido gran xito en explicar los resultados experimentales, tiene dos defectos importantes:El modelo contiene 19 parmetros libres, tales como las masas de las partculas, que deben ser determinados experimentalmente (adems de 10 para las masas de los neutrinos). Esos parmetros no pueden ser calculados independientemente. El modelo no describe la fuerza gravitatoria.

Dentro de l, la materia y la antimateria son simtricas. La preponderancia de la materia en el Universo podra ser explicada diciendo que el Universo comenz con otras condiciones iniciales, pero la mayora de los fsicos piensan que esta explicacin no es elegante.

Este Modelo tampoco explica por qu un cuerpo slido es slido. Si se representa un tomo a una escala en la que los neutrones y protones tuviesen 10 cm de dimetro, los quarks y electrones tendran 1 mm de dimetro mientras que el tomo llegara a tener 10 km de dimetro. Esto es, casi el 100% del tomo est vaco.

Tambin hay que tener en cuenta que la distancia entre los tomos que forman molculas hay an un porcentaje mayor de vaco.Existen alternativas al Modelo Estndar que intentan dar respuesta a estos "fallos", fundamentalmente Las Teoras de Cuerdas.

Pero esto es otra historia...

EL MODELODE LA FISICA ACTUALFIN