Modelo estandar. Qué nombre tan estúpido para la teoría científica más precisa conocida por la humanidad. Más de una cuarta parte de los premios Nobel de física del siglo pasado se otorgaron a trabajos que estaban directa o indirectamente relacionados con el Modelo Estándar. Su nombre, por supuesto, es como si pudiera comprar una mejora por un par de cientos de rublos. Cualquier físico teórico preferiría la “teoría asombrosa de casi todo”, que realmente es.
Muchos recuerdan la emoción entre los científicos y los medios de comunicación por el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012. Pero su descubrimiento no fue una sorpresa y no surgió de la nada: marcó el 50 aniversario de la racha ganadora del Modelo Estándar. Incluye todas las fuerzas fundamentales excepto la gravedad. Cualquier intento de refutarlo y demostrar en el laboratorio que necesitaba ser reelaborado por completo, y hubo muchos, fracasó.
En resumen, el Modelo Estándar responde a esta pregunta: ¿de qué está hecho todo y cómo encaja todo?
norte
Los bloques de construcción más pequeños
Los físicos aman las cosas simples. Quieren destrozar todo hasta su núcleo, para encontrar los bloques de construcción más básicos. No es tan fácil hacer esto en presencia de cientos de elementos químicos. Nuestros antepasados creían que todo consta de cinco elementos: tierra, agua, fuego, aire y éter. Cinco es mucho más simple que ciento dieciocho. Y también mal. Ciertamente sabe que el mundo que nos rodea está hecho de moléculas y las moléculas están hechas de átomos. El químico Dmitry Mendeleev descubrió esto en la década de 1860 y presentó los átomos en la tabla de elementos, que se estudia hoy en la escuela. Pero hay 118 de estos elementos químicos: antimonio, arsénico, aluminio, selenio … y 114 más.
En 1932, los científicos sabían que todos estos átomos están formados por solo tres partículas: neutrones, protones y electrones. Los neutrones y protones están estrechamente relacionados entre sí en el núcleo. Los electrones, miles de veces más ligeros que ellos, giran alrededor del núcleo a una velocidad cercana a la de la luz. Los físicos Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg y otros han introducido una nueva ciencia, la mecánica cuántica, para explicar este movimiento.
Sería genial detenerse allí. Solo tres partículas. Es incluso más fácil que cinco. Pero, ¿cómo se mantienen juntos? Los electrones cargados negativamente y los protones cargados positivamente se mantienen unidos por las fuerzas del electromagnetismo. Pero los protones rebotan en el núcleo y sus cargas positivas deberían alejarlos. Incluso los neutrones neutrales no ayudarán.
Video promocional:
¿Qué une a estos protones y neutrones? "Intervención divina"? Pero incluso un ser divino tendría problemas para seguir la pista de cada uno de los 1080 protones y neutrones del universo, sujetándolos por la fuerza de voluntad.
Ampliando el zoológico de partículas
Mientras tanto, la naturaleza se niega desesperadamente a almacenar solo tres partículas en su zoológico. Incluso cuatro, porque necesitamos dar cuenta del fotón, la partícula de luz descrita por Einstein. Cuatro se convirtieron en cinco cuando Anderson midió electrones cargados positivamente (positrones) que golpean la Tierra desde el espacio exterior. Cinco se convirtieron en seis cuando se descubrió la peonía que sostenía el núcleo como un todo y predicho por Yukawa.
Entonces apareció el muón, 200 veces más pesado que el electrón, pero por lo demás su gemelo. Ya son las siete. No tan fácil.
En la década de 1960, había cientos de partículas "fundamentales". En lugar de una tabla periódica bien organizada, solo había largas listas de bariones (partículas pesadas como protones y neutrones), mesones (como piones de Yukawa) y leptones (partículas ligeras como electrones y neutrinos esquivos), sin ninguna organización o principios de diseño.
norte
Y en este abismo nació el Modelo Estándar. No hubo intuición. Arquímedes no saltó del baño gritando "¡Eureka!" No, en cambio, a mediados de la década de 1960, algunas personas inteligentes hicieron suposiciones importantes que convirtieron este atolladero, primero en una teoría simple y luego en cincuenta años de pruebas experimentales y desarrollo teórico.
Quarks. Tienen seis opciones que llamamos sabores. Como flores, pero no tan sabroso. En lugar de rosas, lirios y lavanda, subimos y bajamos, quarks extraños y encantadores, encantadores y verdaderos. En 1964, Gell-Mann y Zweig nos enseñaron cómo mezclar tres quarks para hacer un barión. Un protón es un quark dos arriba y uno abajo; neutrón: dos inferiores y uno superior. Tome un quark y un antiquark, obtenga un mesón. Una peonía es un quark up o down asociado con un antiquark up o down. Toda la materia de la que nos ocupamos consta de quarks up y down, antiquarks y electrones.
Sencillez. Sin embargo, no es exactamente simplicidad, porque mantener los quarks atados no es fácil. Se unen tan estrechamente que nunca encontrará un quark o antiquark deambulando por su cuenta. La teoría de esta conexión y las partículas que participan en ella, los gluones, se denominan cromodinámica cuántica. Esta es una parte importante del Modelo Estándar, matemáticamente compleja y, en algunos lugares, incluso sin solución para las matemáticas básicas. Los físicos hacen todo lo posible para hacer cálculos, pero a veces el aparato matemático no está lo suficientemente desarrollado.
Otro aspecto del modelo estándar es el "modelo lepton". Este es el título de un artículo histórico de 1967 de Stephen Weinberg que combinó la mecánica cuántica con el conocimiento esencial de cómo las partículas interactúan y las organizan en una teoría unificada. Encendió el electromagnetismo, lo asoció con una "fuerza débil" que conduce a ciertas desintegraciones radiactivas, y explicó que estas son diferentes manifestaciones de la misma fuerza. El mecanismo de Higgs se incluyó en este modelo, dando masa a las partículas fundamentales.
Desde entonces, el Modelo Estándar ha predicho los resultados de experimentos tras resultados, incluido el descubrimiento de varias variedades de quarks y bosones W y Z, partículas pesadas que, en interacciones débiles, cumplen el mismo papel que un fotón en el electromagnetismo. La posibilidad de que los neutrinos tengan masa se pasó por alto en la década de 1960, pero fue confirmada por el Modelo Estándar en la década de 1990, varias décadas después.
Sin embargo, el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, predicho durante mucho tiempo por el Modelo Estándar y esperado durante mucho tiempo, no fue una sorpresa. Pero fue otra gran victoria del Modelo Estándar sobre las fuerzas oscuras que los físicos de partículas esperan regularmente en el horizonte. A los físicos no les gusta que el Modelo Estándar no se corresponda con sus ideas sobre lo simple, están preocupados por su inconsistencia matemática y también están buscando formas de incluir la gravedad en la ecuación. Obviamente, esto se traduce en diferentes teorías de la física, que pueden ser posteriores al Modelo Estándar. Así surgieron las teorías de la gran unificación, la supersimetría, el tecnocolor y la teoría de cuerdas.
Desafortunadamente, las teorías fuera del Modelo Estándar no han encontrado evidencia experimental exitosa ni fallas importantes en el Modelo Estándar. Cincuenta años después, es el Modelo Estándar el que más se acerca a ser una teoría del todo. Increíble teoría de casi todo.
Ilya Khel
