EL MODELO ESTANDAR

1. EL MODELO
DE LA FISICAACTUAL
JAVIER DE LUCAS

3. Descubierto por C.N.Yang y su discípulo R.L.Mills en 1954,
el Campo de Yang-Mills es una generalización del Campo
de Maxwell, introducido un siglo antes por James Clerck
Maxwell, el precursor de las Teorías de Campos. Veinte
años después de que fuera propuesto el Campo de Yang-
Mills, Gerardus ´t Hooft demostró que es una Teoría
perfectamente definida de interacciones entre partículas.
Hoy, el Campo de Yang-Mills ha hecho posible una Teoría
Global de toda la materia, que se conoce como Modelo
Estándar

4. El Modelo Estándar
de la Física de
partículas es una
Teoría que describe
tres de las cuatro
interacciones
fundamentales
conocidas
(Electromagnética,
Nuclear Fuerte y
Nuclear Débil) entre
partículas
elementales que
componen toda la
materia.
Es una Teoría
Cuántica de Campos
que es consistente
con la Mecánica
Cuántica y la
Relatividad Especial.
Hasta la fecha, casi
todas las pruebas
experimentales de las
tres fuerzas descritas
por el Modelo
Estándar están de
acuerdo con sus
predicciones

5. El Universo puede explicarse a partir de:
36 quarks
12 leptones
8 gluones
3 bosones W+,W-, Z
1 fotón
...y 1 o más bosones de Higgs
TOTAL: 61 partículas...o más.

7. EL MODELO ESTANDAR NO
INCLUYE LA INTERACCION
GRAVITATORIA

8. El Modelo Estándar agrupa
dos Teorías importantes: el
Modelo Electrodébil
(Electrodinámica Cuántica)
QED
y la Cromodinámica
Cuántica
QCD
lo que proporciona una
teoría internamente
consistente que describe las
interacciones entre todas las
partículas observadas
experimentalmente.
Técnicamente, la teoría
cuántica de campos
proporciona el marco
matemático para el Modelo
Estándar

9. La Teoría de Weinberg-Salam muestra que el
electromagnetismo y la interacción débil son lo
mismo en tanto que surgen del intercambio de
la misma familia de partículas
El resultado final de la Teoría es reducir el número de fuerzas
fundamentales de cuatro a tres: gravedad, nuclear fuerte y
electrodébil.
ELECTRODINAMICA CUANTICA
En 1971, el físico holandés Gerard t´Hooft mostró que
la adición del bosón Z0 proporcionaba el tipo justo de
infinitos que eliminaban los W+ y W-, y que la Teoría
que incluía a los tres era renormalizable.

10. CROMODINAMICA CUANTICA
Además de carga eléctrica, las
partículas 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 teoría de la
interacción de los quarks que
satisface el principio de simetría
gauge, lo que unifica la
interacción fuerte con la
electrodébil.
La QED y
la QCD se
unifican a
1015 GeV

11. Según el Modelo Estándar toda la materia
conocida esta constituida de partículas que
tienen una propiedad intrínseca llamada
espín cuyo valor es 1/2. En los términos del
Modelo Estándar todas las partículas de
materia son fermiones. Por esta razón,
siguen el principio de exclusión de Pauli de
acuerdo con el teorema de la estadística
del spin, y es lo que causa su calidad de
materia.
Aparte de sus antipartículas asociadas, el
Modelo Estándar explica un total de doce
tipos diversos de partículas de materia.
Seis de éstos se clasifican como quarks
(up, down, strange, charm, top y bottom,
cada uno con tres “colores”), y los otros
seis como leptones (electrón, muón, tau, y
sus neutrinos correspondientes), más sus
correspondientes antipartículas. En total,
48 partículas.
FERMIONES
PARTICULAS DE MATERIA

13. FAMILIA 1
Partícula Masa Carga eléctrica Carga débil Carga fuerte
Electrón 0’00054 -1,00 -1 / 2 0
Neutrino del
electrón
< 10-8 0 1 / 2 0
Quark arriba 0’0047 2 / 3 1 / 2 Rojo
Verde
Azul
Quark abajo 0’0074 -1 / 3 -1 / 2 Rojo
Verde
Azul
Las partículas de la materia también 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 partículas correspondientes
entre cada familia son idénticas la una a la otra, a excepción de su masa y de su “sabor”.

14. FAMILIA 2
Partícula Masa Carga eléctrica Carga débil Carga fuerte
Muón 0’11 -1,00 -1 / 2 0
Neutrino del muón < 0’0003 0 1 / 2 0
Quark encanto 1’6 2 / 3 1 / 2 rojo,verde,azul
Quark extraño 0’16 -1 / 3 -1 / 2 rojo,verde,azul

15. FAMILIA 3
Partícula Masa Carga eléctrica Carga débil Carga fuerte
Tau 1’9 -1,00 -1 / 2 0
Neutrino del tau < 0’033 0,00 1 / 2 0
Quark cima 189’00 2 / 3 1 / 2 rojo,verde,azul
Quark fondo 5’2 -1 / 3 -1 / 2 rojo,verde,azul

16. ELECTRON Y
POSITRON

17. No mucho después de descubrirse
experimentalmente que los neutrinos
existen, se descubrió que no hay un
neutrino, sino tres: uno asociado al
electrón y otros dos asociados a otros
dos leptones (el muón y el tauón.
Cada neutrino puede tomar parte en
las reacciones nucleares en las que
aparece su leptón particular. Por lo
tanto, no basta con decir “neutrino”,
sino que hay que especificar: existe un
neutrino electrónico, un neutrino
muónico y un neutrino tauónico. Por
ejemplo, en la desintegración beta se
produce un electrón, de modo que el
neutrino que ahí toma parte tiene que
ser un neutrino electrónico.
Además, el neutrino tiene una
antipartícula, el antineutrino. De
hecho, hoy sabemos que la partícula
que propuso Pauli para explicar la
desintegración de un neutrón en un
protón y un electrón no es un neutrino:
es un antineutrino electrónico.

18. El Modelo Estándar explica las fuerzas como el resultado del intercambio de otras partículas por parte de las partículas de materia,
conocidas como partículas mediadoras fuerza.
Los fotones median la fuerza electromagnética entre las partículas eléctricamente cargadas. El fotón no tiene masa y está descrito
por la teoría de la electrodinámica cuántica.
BOSONES
PARTÍCULAS MEDIADORAS DE FUERZAS
Los bosones de gauge W+, W–, y Z0 median las interacciones nucleares débiles entre las partículas de diversos sabores (todos
los quarks y leptones). Son masivos, con el Z0 más masivo que los W. Estos tres bosones gauge junto con los fotones se
agrupan juntos y median colectivamente las interacciones electrodébiles.
Interacción Grupo gauge Bosón Símbolo Fuerza relativa
Electromagnética U(1) fotón f fem = 1/137
Débil SU(2) bosones intermedios W±, Z0 wweak = 1,02 · 10-5
Fuerte SU(3) gluones (8 tipos) g gs(MZ) = 0,121

19. Los ocho gluones median las interacciones nucleares fuertes entre las partículas 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 sí mismos. Los gluones
y sus interacciones se describen mediante la QCD (Teoría de la Cromodinámica Cuántica)

21. HADRONES
LA MATERIA

22. BARIONES

23. MESONES

24. El Modelo Estándar no es la “teoría final”. El Modelo Estándar no incluye a la gravedad.
Además, aunque no está claro dónde están los límites, parece probable que para energías
muy grandes (mucho mayores que las que experimentamos en la vida cotidiana) el Modelo
Estándar no es válido. Sin embargo, estas limitaciones son conocidas desde el principio, y
el Modelo Estándar es, conscientemente, una teoría parcial.
Sin embargo, antes incluso de que existiera el modelo formalmente, ya se vio un problema
teórico importante. La forma más sencilla del Modelo Estándar que podía proponerse, la
que tenía el menor número de suposiciones posibles y la mayor sencillez matemática, era
de una gran belleza y coherencia, salvo por un pequeño problema: según la forma sencilla
del modelo, todas las partículas deberían 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 partículas que sí tienen masa, y que nunca se mueven a la velocidad de la
luz. De hecho, sólo algunas no tienen masa, y son justo ésas las que sí se mueven siempre a
la velocidad de la luz. La pregunta inmediata que se hicieron los científicos, naturalmente,
fue ¿por qué? Si la versión simple del modelo no funcionaba, es que faltaba algo más: una
extensión al modelo, algún tipo de mecanismo por el que pudiera deducirse la existencia de
la masa.
La respuesta a este problema fue dada por varios físicos 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

25. La partícula asociada al Campo de Higgs es
una partícula elemental escalar masiva
hipotética predicha por el Modelo Estándar, y
la única partícula fundamental predicha por
ese Modelo que no se ha observado
completamente hasta ahora. Esto es en parte
porque requiere una cantidad
excepcionalmente grande de energía para
crearla y observarla bajo circunstancias de
laboratorio. No tiene ningún spin intrínseco, y
(como las partículas mediadoras de fuerza) se
clasifica así como bosón.
El boson de Higgs desempeña un papel único
en el Modelo Estándar, y un papel dominante
en explicar los orígenes de la masa de otras
partículas elementales, particularmente la
diferencia entre el fotón sin masa y los
bosones pesados W y Z.
BOSON DE HIGGS
La “masa” de todas las partículas
conocidas es el nombre que damos a la
intensidad de su interacción con el campo
de Higgs. El propio concepto de “masa” es
una forma de referirnos a algo más profundo
y fundamental: la interacción mayor o menor
de cada partícula con el campo de Higgs.

26. El Modelo Estándar predecía la existencia de los bosones W y Z, el gluón, y los quarks top y charm antes de
que esas partículas hubiesen sido observadas. Sus propiedades predichas fueron experimentalmente
confirmadas con gran precisión.
El Large Electron-Positron collider (LEP) en el CERN probó varias predicciones entre los decaimientos de los
bosones Z, y las confirmó.
Para obtener una idea del éxito del Modelo Estándar una comparación entre los valores medidos y predichos
de algunas cantidades se muestran en la siguiente tabla:
Cantidad Medida (GeV) Predicción del MS (GeV)
Masa del bosón W 80.4120±0.0420 80.3900±0.0180
Masa del bosón Z 91.1876±0.0021 91.1874±0.0021

30. 1.- 36 quarks que se presentan en 6 sabores y 3 colores y sus réplicas 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 débil y electriomagnética.
4.- Seis tipos de leptones para describir las interacciones débiles (incluyendo el electrón, el muón, el leptón tau y sus
respectivos neutrinos).
5.- Un gran número de partículas de Higgs necesarias para ajustar las masas y las constantes que describen a las
partículas.
6.- Al menos 19 constantes arbitrarias que describen las masas de las partículas y las intensidades de las diversas
interacciones. Estas 19 constantes deben ser introducidas, no están determinadas por la teoría.
RESUMEN
REQUERIMIENTOS DEL MODELO ESTANDAR

31. Incluso cuando el Modelo Estándar ha
tenido gran éxito en explicar los resultados
experimentales, tiene dos defectos
importantes:
El modelo contiene 19 parámetros libres,
tales como las masas de las partículas,
que deben ser determinados
experimentalmente (además de 10 para
las masas de los neutrinos). Esos
parámetros no pueden ser calculados
independientemente.
El modelo no describe la fuerza
gravitatoria.
Dentro de él, la materia y la antimateria
son simétricas. La preponderancia de la
materia en el Universo podría ser
explicada diciendo que el Universo
comenzó con otras condiciones iniciales,
pero la mayoría de los físicos piensan que
esta explicación no es elegante.
Este Modelo tampoco explica por qué un
cuerpo sólido es sólido. Si se representa
un átomo a una escala en la que los
neutrones y protones tuviesen 10 cm de
diámetro, los quarks y electrones tendrían
1 mm de diámetro mientras que el átomo
llegaría a tener 10 km de diámetro. Esto
es, casi el 100% del átomo está vacío.
También hay que tener en cuenta que la
distancia entre los átomos que forman
moléculas hay aún un porcentaje mayor de
vacío.
Existen alternativas al Modelo Estándar que intentan dar respuesta a estos "fallos",
fundamentalmente Las Teorías de Cuerdas.
Pero esto es otra historia...

33. Murray Gell-Mann y George Zweig introdujeron la idea de los quarks. Sugirieron que los mesones y los bariones están
compuestos por quarks o antiquarks de tres tipos, llamados up, down y strange (u, d, s), con spin 1/2 y cargas eléctricas 2/3, -1/3, -
1/3, respectivamente (resulta que esta teoría no es completamente exacta). Ya que estas cargas nunca han sido observadas, la
introducción de los quarks fue tratada como una explicación matemática de los patrones de sabor, seguidos por las masas de las
partículas, más que como un postulado de existencia de objetos físicos reales. Más tarde, los desarrollos teóricos y experimentales,
nos permitieron considerar a los quarks como objetos físicos reales, aunque no puedan ser aislados.
Ya que los leptones tenían cierto patrón, varios trabajos sugirieron la existencia de un cuarto quark, con otro sabor, para que el
patrón de los quarks sea similar al de los leptones; actualmente los sabores se llaman generaciones de materia. Muy pocos físicos
tomaron seriamente esta sugerencia en ese momento. Sheldon Glashow y James Bjorken acuñaron el término "charm" (encanto)
para el cuarto (c) quark.

34. O.W. Greenberg, M.Y. Han, y Yoichiro Nambu introdujeron la propiedad de carga de color del quark. Todos los hadrones
observados son de color neutro.
El modelo del quark es aceptado en forma relativamente lenta, debido a que los quarks no han sido observados.
Steven Weinberg y Abdus Salam separadamente propusieron una teoría que unifica las interacciones electromagnéticas y débiles
formando la interacción electrodébil. Sus teorías requieren la existencia de un bosón neutro, que interactúa en forma débil (ahora
llamado el Z0)y que sea el mediador de la interacción débil; ese bosón no había sido observado aún en aquel tiempo. Ellos también
predijeron la existencia de un bosón, masivo, adicional, llamado el bosón de Higgs que no ha sido aún observado hoy día.
En el Acelerador Lineal de Stanford, en un experimento en el cual se hace que los electrones sean dispersados por protones, los
electrones parecen "rebotar" contra un pequeño centro duro dentro del protón. James Bjorken y Richard Feynman analizaron
estos datos en términos de un modelo de partículas constituyentes dentro del protón (ellos no usaron el nombre "quark" para los
constituyentes, aunque igualmente este experimento proporcionó evidencia para los quarks.)
Sheldon Glashow, John Iliopoulos, y Luciano Maiani reconocieron la importancia crítica de un cuarto tipo de quark en el contexto
del Modelo Standard. Un cuarto quark permite una teoría que tiene interacciones débiles mediadas por un Z0, con cambio de sabor.

35. Donald Perkins, estimulado por una predicción del Modelo Standard, volvió a analizar algunos datos viejos del CERN y encontró
indicadores de interacciones debiles sin intercambio de carga de color(debida al intercambio de un Z0.)
Fue formulada una teoría cuántica de campos, para las interacciones fuertes. Esta teoría de quarks y gluones (que ahora es parte
del Modelo Standard) es similar, en su estructura, a la electrodinámica cuántica (QED), pero dado que las interacciones fuertes
actúan sobre las cargas de color, esta teoría se llama cromodinámica cuántica (QCD). Los quarks están destinados a ser partículas
reales, con una carga de color. Los gluones son los cuantos, sin masa, del campo de las interacciones fuertes. Esta teoría de
interacciones fuertes fue primero sugerida por Harald Fritzsch y Murray Gell-Mann.
David Politzer, David Gross, y Frank Wilczek descubrieron que la teoría de color de las interacciones fuertes tiene una propiedad
especial, hoy llamada "libertad asintótica." Esta propiedad es necesaria para describir los datos de 1968-69 en relación con el protón.

36. En una conferencia, John Iliopoulos presentó, por primera vez en un único informe, la visión de la Física ahora llamada el Modelo
Standard.
Burton Richter y Samuel Ting, liderando experimentos independientes, anunciaron el mismo día su descubrimiento de la misma
nueva partícula. Ting y sus colaboradores en Brookhaven llamaron a esta partícula la partícula "J", mientras que Richter y sus
colaboradores en SLAC llamaron a esta partícula la partícula psi. Ya que los descubrimientos tuvieron igual importancia, la partícula
es conocida comúnmente como la partícula J/psi. La partícula J/psi es un mesón charm-anticharm.
Gerson Goldhaber y Francois Pierre encontraron el mesón D0 (y los quarks antiup y charm). Las predicciones teóricas
concordaron exactamente con los resultados experimentales, ofreciendo un fuerte soporte al Modelo Standard.
El leptón tau fue descubierto por Martin Perl y sus colaboradores en SLAC. Ya que este leptón es la primer partícula registrada de la
tercera generación, fue completamente inesperado.

37. Leon Lederman y sus colaboradores en el Fermilab descubrieron sin embargo otro quark (y su antiquark). Este quark fue llamado el
quark "bottom". Ya que los físicos se imaginaban que los quarks venían en pares, este descubrimiento incentivó la búsqueda del
sexto quark -- "top."
Charles Prescott y Richard Taylor observaron una interacción débil mediada por un Z0, en la dispersión por deuterio, de electrones
polarizados, en la que aparece una violación de la conservación frente a la paridad, como lo predijo el Modelo Standard y
confirmando así la predicción teórica.
Se encuentra en PETRA una fuerte evidencia de un gluón radiado por un quark o antiquark iniciales. PETRA es un contenedor de
colisión de haces de partículas del laboratorio DESY en Hamburgo.

38. Los bosones intermediarios, W± y el Z0, requeridos por la teoría electrodébil, son observados en dos experimentos que usan el
sincrotrón del CERN y que emplean las técnicas desarrolladas por Carlo Rubbia y Simon Van der Meer para colisionar protones y
antiprotones.
Los experimentos llevados a cabo en SLAC y en CERN sugirieron fuertemente que hay tres y sólo tres generaciones de partículas
fundamentales. Ésto se infiere de la observación que el tiempo de vida del bosón Z0-, sólo es consistente con la existencia de
exactamente tres neutrinos muy livianos (o sin masa).
Después de dieciocho años de búsqueda en muchos aceleradores, los experimentos CDF y D0 en el Fermilab descubrieron el quark
top con una masa inesperada de 175 GeV. Nadie entiende por qué la masa es tan diferente de la de los otros cinco quarks.

40. EL MODELO
DE LA FISICAACTUAL
FIN