Modelo estándar

Na Galipedia, a wikipedia en galego.

Índice

1 Introducción
2 Probas e prediccións
3 Desafíos ó Modelo Estándar
4 Ampliación do Modelo

[editar] Introducción

O Modelo Estándar (abreviado como SM, do inglés Standard Model) en física de partículas trata de describir os fenómenos coñecidos asociados ó mundo das partículas fundamentais e ás súas interaccións. Un dos alicerces do modelo é a identificación de cantidades conservadas nas interaccións entre as partículas fundamentais e a relación entre estas cantidades e o espazo-tempo ou con simetrías internas.

Segundo o SM toda a materia coñecida esta constituída de partículas de espín semienteiro (fermións) clasificadas en dous grupos dependendo das interaccións que poden sufrir. Así o grupo dos leptóns fórmano aqueles fermións que non sofren a interacción forte. O resto dos fermións fundamentais denomínanse quarks. Tanto uns como outros agrúpanse en tres familias (tamén chamadas xeracións) e os compoñentes de cada unha diferéncianse dos do resto tan só na masa. Na seguinte táboa poden verse as partículas fundamentais no SM.

Partículas fundamentales do SM

Familias	Nome	Símbolo	Nome	Símbolo
	Leptóns		Quarks
1^a	electrón	e	up (Quark arriba)	u
1^a	neutrino e	n_e	down (Quark abaixo)	d
2^a	muón	µ	charm (Quark encantado)	c
2^a	neutrino µ	n_µ	strange (Quark extrano)	s
3^a	tau	t	top (Quark cúmio)	t
3^a	neutrino t	n_t	bottom (Quark fondo)	b

Doutra banda o SM considera a existencia de tres interaccións fundamentais entre os fermións:

A forza electromagnética: Transmitida por fotóns. Presente en todas as partículas con carga eléctrica.
A forza nuclear débil: Responsable, por exemplo, da desintegración $β$ .
A forza nuclear forte: Actúa entre quarks e é a responsable de que estes permanezan unidos formando nucleóns, así como de que os nucleóns non se dispersen nos núcleos atómicos.

O SM non contempla a cuarta forza fundamental coñecida da natureza: a forza gravitatoria.

As interaccións descríbense dentro do SM por medio de teorías gauge e maniféstanse a través do intercambio de partículas de espín enteiro (bosóns). As dúas primeiras interaccións (débil e electromagnética) están parcialmente unificadas segundo o modelo electrodébil. No entanto a unificación das tres forzas non se realiza dentro do SM, senón que se introducen tres constantes de acoplamento (unha por cada interacción). O marco matemático no que se desenvolve o SM é a superposición de tres grupos de simetría: O SU(3)C × O SU(2)L × U(1)E. Na seguinte táboa poden verse os bosóns gauge xunto coas interaccións ás que están asociados e a forza relativa de cada unha destas.

Interaccións descritas polo Modelo Estándar xunto cos grupos gauge e os bosóns asociados a cada unha. Na columna da esquerda represéntanse as constantes fundamentais que indican a forza relativa de cada interacción.

Interacción	Grupo gauge	Bosón	Símbolo	Forza relativa
Electromagnética	U(1)	fotón	g	a_em = 1/137
Débil	SU(2)	bosóns intermedios	W^±, Z⁰	a_débil = 1,02 · 10^-5
Forte	SU(3)	gluóns (8 tipos)	g	a_s(M_Z) = 0,121

[editar] Probas e prediccións

O Modelo Estándar predicía a existencia dos bosóns W e Z, o gluón, e os quarks top (cúmio) e charm (encanto) antes de que esas partículas fosen observadas. As súas propiedades predicidas foron experimentalmente confirmadas con boa precisión.

O Large Electron-Positron collider LEP, no CERN probou varias prediccións entre os decaementos dos bosóns Z, e confirmounas.

Para obter unha idea do éxito do Modelo Estándar, amósase na seguinte táboa unha comparación entre os valores medidos e predecidos dalgunhas cantidades:

Cantidade	Medida (GeV)	Predicción do Modelo Estándar (GeV)
Masa do bosón W	80.4120±0.0420	80.3900±0.0180
Masa do bosón Z	91.1876±0.0021	91.1874±0.0021

[editar] Desafíos ó Modelo Estándar

Aínda non hai indicación experimental da existencia do bosón de Higgs.

Ata se o Modelo Estándar tivo gran éxito en explicar os resultados experimentais, ten dous defectos importantes:

O modelo contén 19 parámetros libres, tales como as masas das partículas, que deben ser determinados experimentalmente (ademais de 10 para as masas dos neutrinos). Eses parámetros non poden ser calculados de xeito independente.
O modelo non describe a interacción gravitatoria.

Desque se completou este modelo, realizáronse moitos esforzos para solucionar estes problemas. Unha tentativa para solventar o primeiro defecto é coeñcida como gran unificación. As chamadas 'Teorías de grande unificación' (con sglas en inglés 'GUT') hipotetizan que os grupos SU(3), SU(2), e U(1) son na realidade subgrupos dun único grupo de grande simetría. A altas enerxías (abondo máis grandes que as usadas agora na experiemntación), a simetría do grupo unificado é preservada; a baixas enerxías, redúcese a SU(3)×SU(2)×U(1) por un proceso coñecido como rotura espontánea de simetría. A primeira teoría deste tipo foi proposta por Georgi e Glashow (no 1974), usando SU(5) como grupo unificador. Unha característica distintiva destas GUT é que, de xeito cdiverso ó Modelo Standar, predicen a existencia do decaemento do protón. No 1999, o observatorio de neutrinos Super-Kamiokande non tiña informado a observación de ningún protón, o que establece un límite inferior para a [[semivida do protón de 6.7× 10³² anos. Estes e outros experimentos teñen falsado numerosas GUTs, incluíndo SU(5). Outro esforzo apra manexar o primeiro defecto foi o desenvolvemento de modelos de preóns, pocurando unha estrutura de partículas máis fundamentais que as establecidas polo modelo estándar.

Ademáis, hai razóns cosmolóxicas polas que se cree que o Modelo Estándar é incomleto. Nel, a materia e a antimateria están relacionadas pola simetría CPT (simetría de carga, paridade e tempo) o que suxire que debera haber igual cantidade de materia e antimateria despois do Big Bang (a 'grande explosión' primixenia do Universo). Aínda que a preponderancia da materia no Universo pode ser explicada dicindo que o universo comezou antes de seren aplicadas estas normas, este tipo de explicacións é considerada como pouco elegante e inadecuada polos físicos. Asemade, o Modelo Estandar non prové dun mecanismo para xerar a inflación cósmica (diferente da expansión cósmica) que se cree se produxo ó comezo do Universo.

O bosón de Higgs, predito polo Modelo Estándar, non foi observado hasta o momento 2007 (aínda que foron observados no LEP (Large Electron-Positron Collider, Grande colisionador electrón-positrón) algúns fenómenos relacionados con el). Unha das razóns para a construcción do Large Hadron Collider (Grande colisionador de hadróns) é que o incremento de enerxía posible nel pode facer observable o Higgs.

[editar] Ampliación do Modelo

A primeira desviación experimental do Modelo Estándar (tal como foi proposto nos 70) chegou no 1998, cando os científicos do Super-Kamiokande publicaron resultados indicando a oscilación neutrino. baixo o modelo, un neutrino sen masa non pode oscilar, polo que esa observación implicaba a existencia de masas do neutrino diferentes de cero. Polo tanto, foi necesario revisar o modelo para permitir neutrinos conmasa, o que se fixo incorporando 10 parámetros máis que os iniciais 19.

Unha extensión posterior do Modelo Estándar ten como orixe a teoría da supersimetría, que propón un compañeiro supersimétrico para cada partícula existente no Modelo Estándar convencional. As aprtículas supersimétricas foron xseridas como candidatas apra explicar a materia osbscura. Non embargantes, ditas partículas non foron observadas ata a data, aínda que son unha das ideas máis populares en física teórica das partículas.

Partículas fundamentais en Física (lista, táboa)
Fermións						Bosóns de Gauge
Quarks			Leptóns			Bosóns W e Z	Fotón	Gluón
Arriba	Encantado	Cúmio	Electrón	Muón	Tau (tauón)	Bosóns hipotéticos
Abaixo	Extrano	Fondo	e-neutrino	μ-neutrino	τ-neutrino	Gravitón Bosón de Higgs