Modelo estandar

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El modelo estándar (SM) es una construcción teórica en física de partículas elementales que describe las interacciones electromagnéticas , débiles y fuertes de todas las partículas elementales . La formulación moderna se completó en la década de 2000 después de la confirmación experimental de la existencia de quarks . El descubrimiento del t-quark (1995) [1] , el b-quark (1977) y el tau-neutrino (2000) confirmaron la corrección del SM.

El Modelo Estándar no es una teoría de todo , ya que no describe la materia oscura , la energía oscura y no incluye la gravedad . La confirmación experimental de la existencia de bosones vectoriales intermedios a mediados de la década de 1980 completó la construcción del Modelo Estándar y su aceptación como principal. La necesidad de una ligera expansión del modelo surgió en 2002, tras el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos , y la confirmación de la existencia del bosón de Higgs en 2012 completó la detección experimental de partículas elementales predicha por el Modelo Estándar [2] .

Sin embargo, el SM es extremadamente importante para la física de partículas teórica y experimental . Para los teóricos, el SM es un ejemplo fundamental de una teoría que demuestra una amplia gama de fenómenos físicos, incluida la ruptura de simetría espontánea , anomalías cuánticas , etc. Se utiliza como base para construir modelos más exóticos, incluidas partículas hipotéticas . dimensiones adicionales y simetrías extendidas (por ejemplo, supersimetría ), en un intento de explicar los resultados experimentales no cubiertos por el SM. A su vez, los experimentadores utilizan el SM para buscar fenómenos que van más allá de sus límites. Además, el SM ha encontrado aplicaciones en áreas fuera de la física de partículas, como la astronomía , la cosmología y la física nuclear .

El modelo estándar incluye los siguientes ingredientes: 6 quarks, 6 leptones, 4 partículas portadoras de fuerza y 1 bosón de Higgs. Si se tienen en cuenta las antipartículas y las diferentes cargas de color de los gluones, entonces, en total, el SM describe 61 partículas únicas [3] [4] .

Historia

Los cimientos del Modelo Estándar fueron establecidos en 1960 por Sheldon Glashow , quien estaba tratando de unificar las fuerzas electromagnética y débil. En 1967, Steven Weinberg y Abdus Salam incorporaron el mecanismo de Higgs a la teoría de Glashow, dándole su forma moderna. El mecanismo de Higgs es necesario para la aparición de masa en todas las partículas elementales SM: bosones W, bosones Z, quarks y leptones . En 1973, las corrientes neutras transportadas por el bosón Z fueron descubiertas en el CERN, después de lo cual la teoría electrodébil obtuvo una amplia aceptación. Glashow, Salam y Weinberg compartieron el Premio Nobel de Física de 1979 por su creación. Los bosones W y Z se descubrieron experimentalmente en 1981 y sus masas coincidían con la predicción SM. La teoría de la fuerza fuerte, en la que están involucrados muchos científicos, tomó su forma moderna alrededor de 1973-1974, cuando los experimentos confirmaron que los hadrones están compuestos de quarks con carga fraccionaria.

Reglamento

En la actualidad, la materia y la energía se entienden mejor en términos de cinemática y la interacción de partículas elementales (EP). Hoy en día, la física ha reducido las leyes que gobiernan el comportamiento y las interacciones de todas las formas conocidas de materia y energía a un pequeño conjunto de leyes y teorías fundamentales. El principal objetivo de la física es encontrar una "base común" que pueda unir todas estas teorías en una " teoría del todo " general, en la que todas las demás leyes conocidas serían casos especiales, y a partir de la cual el comportamiento de todas las formas de materia y podría deducirse la energía (al menos en principio). El SM combinó las dos principales teorías anteriores, la teoría cuántica de la interacción electrodébil y la cromodinámica cuántica , en una teoría internamente coherente que describe la interacción entre todas las partículas conocidas en términos de la teoría cuántica de campos (QFT).

El modelo estándar consta de las siguientes disposiciones:

Toda la materia consta de 12 campos cuánticos fundamentales , cuyos cuantos son partículas fundamentales con espín ½- fermiones , que se pueden combinar en tres generaciones de fermiones : 6 leptones ( electrón , muón , taón , e-neutrino , mu-neutrino y tau -neutrino ) y 6 quarks (u-, d-, s-, c-, b-, t-), así como 12 antipartículas correspondientes.
Los quarks participan en interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas; leptones cargados (electrón, muón, taón) - en débil y electromagnético; neutrinos - solo en interacciones débiles.
Los tres tipos de interacciones surgen como consecuencia del postulado de que nuestro mundo es simétrico con respecto a tres tipos de transformaciones de calibre . Las partículas-portadoras de las interacciones son los bosones :

8 gluones para interacción fuerte (grupo de simetría SU(3)); 3 bosones de gran calibre (W + , W − , Z 0 ) para interacción débil (grupo de simetría SU(2)); un fotón para interacción electromagnética (grupo de simetría U(1)).

A diferencia de las fuerzas electromagnética y fuerte, la fuerza débil puede mezclar fermiones de diferentes generaciones, lo que lleva a la inestabilidad de todas las partículas, excepto las más ligeras, y a efectos como la violación de CP y las oscilaciones de neutrinos .
Los parámetros externos del modelo estándar son:
- las masas de leptones (3 parámetros, se supone que los neutrinos no tienen masa) y quarks (6 parámetros), interpretadas como constantes de interacción de sus campos con el campo del bosón de Higgs ,
- parámetros de la matriz de mezcla de quarks CKM — tres ángulos de mezcla y una fase compleja que rompe la simetría CP — constantes de interacción de quarks con un campo electrodébil,
- dos parámetros del campo de Higgs , que están únicamente relacionados con su valor esperado de vacío y la masa del bosón de Higgs ,
- tres constantes de interacción asociadas con los grupos de calibre U(1), SU(2) y SU(3), respectivamente, y que caracterizan las intensidades relativas de las interacciones electromagnética, débil y fuerte.

Debido al descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos , el modelo estándar necesita una extensión que introduzca 3 masas de neutrinos adicionales y al menos 4 parámetros de la matriz de mezcla de neutrinos PMNS similar a la matriz de mezcla de quarks CKM, y posiblemente 2 parámetros de mezcla más si los neutrinos son Majorana partículas _ Además, el ángulo de vacío de la cromodinámica cuántica a veces se introduce entre los parámetros del modelo estándar . Es de destacar que un modelo matemático con un conjunto de 20 números impares es capaz de describir los resultados de millones de experimentos realizados hasta la fecha en física [5] .

Simetrías en el Modelo Estándar

El modelo estándar se basa en una simetría de calibre local , rota espontáneamente antes [6] . Cada uno de los tres parámetros es responsable de un tipo específico de interacción. La electrodinámica cuántica es invariante bajo transformaciones locales de calibre U(1) : es decir, el lagrangiano es invariante bajo transformaciones locales de calibre . La interacción débil (campo de Yang-Mills) se caracteriza por la invariancia con respecto a los grupos de simetría no abeliana SU(2) [7] : $SU(3)\times SU(2)\times U(1)$ $SU(3)\veces U(1)$ $\phi \rightarrow e^{i\Lambda (x,t)}\phi$

{\displaystyle \phi '_{1}=\cos \Lambda _{3}\phi _{1}+\sin \Lambda _{3}\phi _{2))

\phi '_{2}=-\sin \Lambda_{3}\phi_{1}+\cos \Lambda_{3}\phi_{2},

{\ estilo de visualización \ phi '_{3} = \ phi _ {3}.}

Esta transformación de calibre se puede escribir como una matriz unitaria de 2 × 2 con determinante igual a uno. Para la interacción electrodébil, como la unificación de la electrodinámica con la interacción débil, existe una simetría . Las interacciones fuertes se describen mediante la cromodinámica cuántica, que se caracteriza por la simetría SU(3) . El grupo SU(3) es un grupo de matrices de 3x3 con determinante uno. La matriz de 3×3 tiene nueve elementos, pero el requisito de que el determinante sea igual a uno reduce el número de elementos independientes a ocho. Por eso hay 8 gluones. $SU(2)\veces U(1)$

La existencia de partículas sin masa ( bosones W y Z ) se deriva del modelo de interacción electrodébil , pero se ha demostrado experimentalmente que estas partículas cargadas tienen masa. Este problema se resuelve mediante el mecanismo de ruptura espontánea de simetría ( mecanismo de Higgs ). El campo de Higgs (bosón de Higgs) proporciona masa a estas partículas sin masa.

Fermiones

El SM contiene 12 partículas elementales con espín ½, conocidas como fermiones . Según el teorema de la estadística de espín, los fermiones obedecen al principio de exclusión de Pauli. Cada fermión tiene una antipartícula. Los fermiones SM se clasifican según cómo interactúan (o, de manera equivalente, según las cargas que transportan). Hay seis quarks (quark u y quark d, quark c y quark s, quark t y quark b) y seis leptones (electrón y e-neutrino, muon y mu-neutrino, taon y tau-neutrino ) . Los pares de cada conjunto se agrupan en generaciones para que las partículas correspondientes de diferentes generaciones exhiban propiedades similares. La propiedad definitoria de los quarks es que tienen color (rgb) y, por lo tanto, participan en la interacción fuerte. El fenómeno del confinamiento de color es que los quarks siempre están unidos entre sí para formar partículas compuestas de color neutro ( hadrones ). Un hadrón contiene un quark con un antiquark del anticolor correspondiente ( mesón ) o tres quarks de tres colores diferentes ( bariones ). El protón y el neutrón son los bariones con la masa más pequeña ( p = u + u + d , n = u + d + d ). Los quarks también llevan una carga eléctrica y un isospin débil . Por lo tanto, participan tanto en interacciones electromagnéticas como débiles.

Los seis fermiones restantes no tienen carga de color y se denominan leptones . El electrón , el muón y el taón tienen carga eléctrica y pueden participar en interacciones electromagnéticas y débiles. Los tres neutrinos tampoco tienen carga eléctrica, por lo que solo pueden participar en interacciones débiles. A bajas energías, los neutrinos interactúan extremadamente débilmente con la materia y tienen una longitud de trayectoria colosal de ~ 10 18 m , lo que los hace extremadamente difíciles de estudiar. Un miembro de cada generación siguiente tiene una masa mayor que la partícula correspondiente de la generación más joven. Las partículas de la primera generación (más joven) son estables [8] . Toda la materia bariónica consiste en partículas de primera generación. En particular , los átomos de todos los elementos químicos consisten en electrones que rodean los núcleos atómicos ( nucleones ), que consisten en protones y neutrones, y estos a su vez están compuestos por quarks u y quarks d . Las partículas cargadas de segunda y tercera generación, por el contrario, son de corta duración y tienen una vida media muy corta. Por lo tanto, solo se observan en eventos y experimentos de alta energía.

Bosones de calibre

En el SM, los bosones de calibre se definen como portadores de fuerzas que llevan a cabo las interacciones fundamentales fuerte, débil y electromagnética. Las interacciones en física se entienden como una forma de influir unas partículas sobre otras. A nivel macroscópico, el electromagnetismo permite que las partículas interactúen entre sí a través de campos eléctricos y magnéticos, y la gravedad permite que las partículas con masa se atraigan entre sí, de acuerdo con la teoría general de la relatividad de Einstein. El SM considera estas fuerzas como el resultado del intercambio de partículas de materia con otras partículas, conocidas como "partículas portadoras de fuerza" (en sentido estricto, esto es así sólo con una interpretación literal de algún método de cálculo aproximado conocido como "teoría de perturbación"). "). En el caso del intercambio de partículas portadoras de fuerza, el efecto a nivel macro es el mismo que en el caso de la interacción de fuerzas. Por lo tanto, las partículas portadoras se denominan mediadores de estas interacciones o "agentes" de estas fuerzas [10] . Los diagramas de Feynman , que son una representación visual de la aproximación de la teoría de la perturbación, usan "partículas portadoras de fuerza" y brindan una excelente concordancia con la experiencia cuando se analizan experimentos de alta energía. Sin embargo, la teoría de la perturbación (y con ella el concepto de partículas portadoras) no funciona en otras situaciones. Estos incluyen cromodinámica cuántica de baja energía, estados ligados y solitones. Todos los bosones de norma SM tienen espín (al igual que las partículas de materia). Su valor de espín es 1, lo que los convierte en bosones. Por tanto, no obedecen al principio de exclusión de Pauli, que impone restricciones a los fermiones. Los diferentes tipos de bosones de calibre se describen a continuación:

los fotones transportan fuerzas electromagnéticas entre partículas cargadas eléctricamente. El fotón no tiene masa y está perfectamente descrito en términos de electrodinámica cuántica (QED).

Los bosones W+, W- y Z llevan la interacción débil entre partículas de diferentes sabores (quarks y leptones) Son masivos, siendo Z más masivo que W± La interacción débil llevada a cabo por los bosones W± solo afecta a las partículas polarizadas a la izquierda y a las antipartículas polarizadas a la derecha . Además, los bosones W± llevan una carga eléctrica (1 o −1) y participan en la interacción electromagnética. El bosón Z eléctricamente neutro interactúa con partículas y antipartículas polarizadas tanto a la izquierda como a la derecha. Estos tres bosones, junto con el fotón, forman el colectivo de portadores de la interacción electrodébil.

ocho gluones realizan una fuerte interacción entre partículas que tienen color (es decir, quarks). Los gluones no tienen masa. El octeto de gluones se colorea con combinaciones color-anti-color (por ejemplo, hay un gluón rojo-anti-verde). Dado que los gluones también tienen color, pueden interactuar fuertemente entre sí. Los gluones y su interacción se describen mediante cromodinámica cuántica.

Las interacciones entre todas las partículas descritas por el SM se resumen en el diagrama de la derecha.

bosón de Higgs

El bosón de Higgs es una partícula elemental escalar masiva. Fue predicho por Peter Higgs y sus coautores en 1964. El bosón de Higgs es la piedra angular del SM. No tiene espín intrínseco y, por lo tanto, se considera un bosón (similar a los bosones de norma, que tienen espín entero). La observación del bosón de Higgs requiere una energía y una densidad de haz excepcionalmente altas en el colisionador de alta energía . Por tanto, fue la única partícula fundamental predicha por el SM, pero hasta hace un tiempo no descubierta con una fiabilidad de 5,0 σ . Sin embargo, en julio de 2012, el CERN informó de la observación de una partícula "similar a Higgs" con una fiabilidad de 4,0 σ [11] . Después de experimentos adicionales, se declaró la fiabilidad del descubrimiento [12] [13] .

El bosón de Higgs juega un papel único en el SM, explicando por qué todas las demás partículas, excepto los fotones, gluones y neutrinos, tienen masa. Las masas de las partículas elementales, así como la distinción entre electromagnetismo (transportado por fotones) y fuerzas débiles (transportadas por bosones W y Z) son fundamentales en muchos aspectos de la estructura del microcosmos (y, por lo tanto, del macrocosmos). En la teoría electrodébil, el bosón de Higgs da lugar a las masas de leptones y quarks. Dado que el bosón de Higgs es masivo, también debe interactuar consigo mismo.

El bosón de Higgs es muy masivo y se desintegra casi instantáneamente después de su creación. Por lo tanto, solo un acelerador de partículas de muy alta energía puede detectarlo y registrarlo. El CERN comenzó experimentos para detectar y estudiar el bosón de Higgs utilizando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) a principios de 2010. La consistencia matemática del SM requiere que el mecanismo responsable de la aparición de masas EP se haga visible a energías de alrededor de 1,4 TeV [14] . Así, el LHC (diseñado para la colisión de dos haces de protones con energías de 7,0-8,0 TeV) fue creado para responder a la pregunta de la existencia del bosón de Higgs. El 4 de julio de 2012, dos grandes experimentos en el LHC ( ATLAS y CMS ) permitieron informar de forma independiente sobre el descubrimiento de una nueva partícula con una masa de aproximadamente 125,0 GeV/ c² (alrededor de 133 masas de protones) [15] [16] [17] [18] . El 13 de marzo de 2013, se confirmó que se trataba del bosón de Higgs deseado [19] [20] .

Fuera del Modelo Estándar

A finales del siglo XX, todas las predicciones del modelo estándar se confirmaron experimentalmente , a veces con una precisión muy alta, hasta millonésimas de uno por ciento [21] . Fue solo en la década de 2000 que comenzaron a aparecer resultados en los que las predicciones del Modelo Estándar difieren ligeramente del experimento, e incluso fenómenos que son extremadamente difíciles de interpretar dentro de su marco [comm. 1] [com. 2] . Por otro lado, es obvio que el Modelo Estándar no puede ser la última palabra en física de partículas elementales , porque contiene demasiados parámetros externos , y además no incluye la gravedad . Por lo tanto, la búsqueda de desviaciones del Modelo Estándar (la llamada " nueva física ") es una de las áreas de investigación más activas en la década de 2010. Se esperaba que los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones pudieran registrar muchas desviaciones del Modelo Estándar (con la adición de neutrinos masivos), pero no se encontraron tales desviaciones en 12 años de experimentos. No hubo signos convincentes de la existencia de nueva física fuera del Modelo Estándar hasta 2021.

En marzo de 2021, el experimento LHCb informó del descubrimiento de una violación de la universalidad de los leptones. Esta violación se manifiesta en el hecho de que las desintegraciones de los encantadores mesones B + → K + l + l - (donde l = µ, e) con la emisión de pares de muones son un 15% menos frecuentes que con la emisión de pares de electrones. Las medidas discrepan de las predicciones del Modelo Estándar en más de tres desviaciones estándar [24] .
En abril de 2021, Fermilab informó que las mediciones del Factor g del momento magnético anómalo del muón en los experimentos Muon g-2 tienen una discrepancia estadísticamente significativa con las predicciones del Modelo Estándar con una confianza superior a cuatro desviaciones estándar [25] .
Estas anomalías en el comportamiento del muón son una fuerte evidencia de la existencia de la quinta interacción fundamental [26] [27] .

En abril de 2022, físicos de la colaboración internacional CDF en su estudio, realizado sobre la base del procesamiento de datos de 10 años de funcionamiento del colisionador Tevatron , demostraron que la masa del bosón W es un 0,09 % superior a la predicha por el modelo estándar [28] [29] .

Véase también

Notas

Comentarios

↑ El detector CDF descubrió un fenómeno que no se puede explicar dentro del marco del modelo estándar [22]
↑ El reciente resultado del Tevatron no despertó mucho entusiasmo entre los físicos [23]

Fuentes

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Literatura

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Enlaces

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