Además de la materia oscura y la energía oscura desconocidas para la ciencia, el Modelo Estándar de Física de Partículas también enfrenta dificultades para explicar por qué los fermiones suman tres conjuntos casi idénticos.
Para una teoría que todavía carece de componentes bastante grandes, el Modelo Estándar de Partículas e Interacciones ha tenido bastante éxito. Tiene en cuenta todo lo que encontramos a diario: protones, neutrones, electrones y fotones, así como exóticos como el bosón de Higgs y los verdaderos quarks. Sin embargo, la teoría es incompleta, ya que no puede explicar fenómenos como la materia oscura y la energía oscura.
El éxito del Modelo Estándar se debe al hecho de que proporciona una guía útil para las partículas de materia que conocemos. Las generaciones pueden denominarse uno de estos patrones importantes. Parece que cada partícula de materia puede ser de tres versiones diferentes, que difieren solo en masa.
Los científicos se preguntan si este patrón tiene una explicación más detallada o si es más fácil creer que alguna verdad oculta lo reemplazará.
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El modelo estándar es un menú que contiene todas las partículas fundamentales conocidas que ya no se pueden dividir en sus componentes. Se divide en fermiones (partículas de materia) y bosones (partículas que llevan interacciones).
Modelo estándar de interacciones y partículas elementales / Colaboración ALEPH.
Las partículas de materia incluyen seis quarks y seis leptones. Los quarks son los siguientes: superior, inferior, encantados, extraños, verdaderos y adorables. Por lo general, no existen por separado, sino que se agrupan para formar partículas más pesadas, como protones y neutrones. Los leptones incluyen electrones y sus primos, muones y tau, así como tres tipos de neutrinos (neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tau).
Todas las partículas anteriores se dividen en tres "generaciones" que literalmente se copian entre sí. Los quarks top, encantados y verdaderos tienen la misma carga eléctrica, así como las mismas interacciones débiles y fuertes: difieren principalmente en las masas que les da el campo de Higgs. Lo mismo ocurre con los quarks down, extraños y bonitos, así como con los electrones, muones y tau.
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Como se mencionó anteriormente, tales diferencias pueden significar algo, pero los físicos aún no han descubierto qué. La mayoría de las generaciones varían mucho en peso. Por ejemplo, un leptón tau es unas 3.600 veces más masivo que un electrón, y un quark verdadero es casi 100.000 veces más pesado que un quark up. Esta diferencia se manifiesta en la estabilidad: las generaciones más pesadas se desintegran en las más ligeras hasta alcanzar los estados más suaves, que se mantienen estables para siempre (hasta donde se sabe).
Las generaciones juegan un papel importante en la experimentación. Por ejemplo, el bosón de Higgs es una partícula inestable que se descompone en muchas otras partículas, incluidos los leptones tau. Resulta que debido al hecho de que tau es la partícula más pesada, el bosón de Higgs "prefiere" convertirse en tau con más frecuencia que en muones y electrones. Como señalan los aceleradores de partículas, la mejor manera de estudiar las interacciones del campo de Higgs con los leptones es observando la descomposición del bosón de Higgs en dos tau.
Decaimiento del bosón de Higgs en bonitos quarks / ATLAS Collaboration / CERN.
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Este tipo de observación está en el corazón de la física del Modelo Estándar: golpee dos o más partículas entre sí y vea qué partículas aparecen, luego busque patrones en los residuos y, si tiene suerte, verá algo que no se ajusta a su imagen.
Y aunque cosas como la materia oscura y la energía oscura claramente no encajan en los modelos modernos, existen algunos problemas con el modelo estándar en sí. Por ejemplo, según él, los neutrinos no deberían tener masa, pero los experimentos han demostrado que los neutrinos todavía tienen masa, incluso si es increíblemente pequeña. Y, a diferencia de los quarks y los leptones cargados eléctricamente, la diferencia de masas entre generaciones de neutrinos es insignificante, lo que explica sus fluctuaciones de un tipo a otro.
Al no tener masa, los neutrinos son indistinguibles entre sí, con masa, son diferentes. La diferencia entre sus generaciones desconcierta tanto a los teóricos como a los experimentadores. Como señaló Richard Ruiz de la Universidad de Pittsburgh, "Hay un patrón que nos está mirando, pero no podemos averiguar exactamente cómo debe entenderse".
Incluso si solo hay un bosón de Higgs, el del modelo estándar, hay mucho que aprender al observar sus interacciones y descomposición. Por ejemplo, al examinar la frecuencia con la que el bosón de Higgs se convierte en tau en comparación con otras partículas, puede verificar la validez del Modelo Estándar, así como obtener pistas sobre la existencia de otras generaciones.
Por supuesto, apenas hay más generaciones, ya que el quark de cuarta generación debería ser mucho más pesado que incluso un quark verdadero. Pero las anomalías en la ruptura de Higgs dicen mucho.
Una vez más, hoy en día ninguno de los científicos comprende por qué hay exactamente tres generaciones de partículas de materia. No obstante, la estructura del modelo estándar es en sí misma una pista de lo que puede haber fuera de él, incluida lo que se conoce como supersimetría. Si los fermiones tienen socios supersimétricos, también deben tener tres generaciones. La forma en que se distribuyen sus masas puede ayudar a comprender la distribución de masas de los fermiones en el modelo estándar, así como por qué encajan en estos patrones particulares.
La supersimetría asume la existencia de un "supercompañero" / CERN / IES de SAR más pesado para cada partícula del Modelo Estándar.
Independientemente de cuántas generaciones de partículas haya en el Universo, el hecho mismo de su presencia sigue siendo un misterio. Por un lado, las "generaciones" no son más que una organización conveniente de partículas de materia en el Modelo Estándar. Sin embargo, es muy posible que esta organización pueda sobrevivir en una teoría más profunda (por ejemplo, una teoría en la que los quarks se componen de partículas hipotéticas aún más pequeñas: preones), lo que podría explicar por qué los quarks y leptones parecen formar estos patrones.
Después de todo, aunque el modelo estándar todavía no es una descripción definitiva de la naturaleza, ha hecho bastante bien su trabajo hasta ahora. Cuanto más se acerca la comunidad científica a los bordes del mapa dibujado por esta teoría, más se acercan los científicos a una descripción verdadera y precisa de todas las partículas y sus interacciones.
Vladimir Guillén
