Model estàndar de la física de partícules

Archiu:Formula for a Lagrangian in Yang-Mills theory.jpg

Model estàndar de la física de partícules

Archiu:Standard Model of Elementary Particles.svg

Taula de partícules elementals del model estàndar.

El model de partícules és una teoria quàntica de camps desenrollada entre 1970 i 1973 ^{cita requerida} basada en les idees de l'unificació i simetria que descriu l'estructura fonamental de la matèria i el buit considerant les partícules elementals com a ents irreducibles i com «quants» dels camps (paquets de l'energia i l'impuls dels camps) que la seua cinemàtica està regida per les quatre interaccions fonamentals conegudes (exceptuant la gravetat, la principal teoria de la qual, la relativitat general, no encaixa en els models matemàtics del món quàntic). La paraula «modele» en el nom ve de la década de 1970 quan no hi havia suficient evidència experimental que confirmara el model. Fins a la data, casi totes les proves experimentals de les tres forces descrites pel model estàndar estan d'acort en les seues prediccions. No obstant el model estàndar no alcança a ser una teoria completa de les interaccions fonamentals per vàries qüestions sense resoldre.

Introducció

A principis de el XX, el problema de reduir les lleis que governen el comportament i l'interacció de totes les interaccions fonamentals de la matèria seguia sent un problema no resolt. El treball teòric realisat durant el XX, va dur a una teoria que reduïa a un esquema comú l'electromagnetisme i la força dèbil, i es posseïa un model adequat de la força forta. No obstant, a pesar de diverses propostes prometedores existien tres teories diferents per a explicar les diferents interaccions fonamentals, a saber:

Teoria electrodébil

La teoria o model electrodébil unifica l'interacció electromagnètica en la matèria, l'electrodinàmica quàntica, en la força nuclear dèbil, les quals varen ser formulades en principi de forma independent.

L'electrodinàmica quàntica s'origina en 1927 en un apèndix d'un artícul de Born, Heisenberg i Jordan sobre mecànica matricial en la que este últim cuantiza el camp electromagnètic lliure. Va ser subsecuentemente desenrollat per Dirac, Jordan, Pauli, Heisenberg i uns atres i va culminar abans de 1950 en un treball de Tomonaga, Schwinger, Feynman i Dyson. El càlcul del desplaçament Lamb i el valor exacte de la raó giromagnética de l'electró són les prediccions destacables de l'electrodinàmica quàntica. La teoria de la força nuclear dèbil va escomençar en 1932 en la teoria de Fermi per a la desintegració beta. Les millores de la teoria per als nucleones varen ser fetes en la teoria V-A que té en conte la violació de paritat. No obstant els càlculs teòrics d'electrodinàmica quàntica per al model de Fermi conduïen a infinits.

El problema es va superar entre 1961 i 1968 per Glashow, Weinberg, Salam i uns atres unificant les teories electromagnètiques i nuclear dèbil.

Cromodinámica quàntica

La força nuclear forta queda explicada com a interaccions fortes entre cuarks en la cromodinámica quàntica, formulada per Fritzsch, Gell-Man, Leutwyler, i després per t'Hooft i uns atres. Esta teoria supon tres «càrregues fortes» com a font de les forces.

Teoria general de la relativitat

Desenrollada originalment per Einstein, és la culminació de la mecànica clàssica quedant emmarcat en una mateixa teoria la gravitació i la mecànica.

Front a este panorama, el Model Estàndar agrupa, pero no unifica, les dos primeres teories –el model electrodébil i la cromodinámica quàntica– lo que proporciona una teoria internament consistent que descriu les interaccions entre totes les partícules observades experimentalment.

Precedents

Com a antecedents del model estàndar es poden citar a la teoria de camps i la teoria atòmica.

La teoria atòmica supon que la matèria està constituïda per ents indivisibles. Els descobriments de J. J. Thomson sobre l'electró i d'E. Rutherford sobre el núcleu atòmic varen donar un millor enteniment de l'estructura interna de l'àtom donant lloc a la física electrònica i la física nuclear respectivament.

Teoria de camps

Artícul principal → Teoria de camps.

La primera, iniciada per M. Faraday,^{cita requerida} és la millor explicació a l'acció a distància. En un enteniment clàssic de la naturalea hi ha tres fenomens que presenten una acció a distància: electricitat, magnetisme i gravetat. Les primeres dos es varen considerar forces independents fins que H. C. Ørsted va descobrir que la corrent elèctrica i el magnetisme estaven relacionats.^{cita requerida} J. C. Maxwell descriu matemàticament la relació mútua entre els camps elèctrics i magnètics donant un marc teòric complet per a la teoria electromagnètica. Finalment A. Einstein va unificar abdós camps motivat per l'aparent asimetria en aplicar les equacions de Maxwell a cossos en moviment. Un esforç posterior ho va dur a generalisar esta teoria per a cossos accelerats i el camp gravitatorio en la teoria general de la Relativitat.

En la teoria clàssica de camps es modela l'acció a distància entre cossos puntuals per mig d'un camp continu que pren, transporta i cedix energia d'i als cossos. Actualment en física de partícules, la dinàmica de la matèria i de l'energia en la naturalea s'entén millor en térmens de cinemàtica i interaccions de partícules fonamentals.^{cita requerida} Tècnicament, la teoria quàntica de camps proporciona el marc matemàtic per al model estàndar. El model estàndar descriu cada tipo de partícula en térmens d'un camp matemàtic.Plantilla:Qué No obstant, este marc no fa una distinció essencial entre camp i partícula: abdós poden ser descrits per una funció contínua en l'espai o be com a partícules puntuals.^{cita requerida} Cap dels anteriors oferix una explicació satisfactòria. Per a una descripció tècnica dels camps i de les seues interaccions, vore la Teoria quàntica de camps.

Simetria de la funció d'ona	Estadística	Quant del camp	Tipo de camp	Spin	Eixemples	Interpretació
${\varphi }_{1,2}={\varphi }_{2,1}$	Bose-Einstein	Bosón	Bosónico	Sancer	Camp escalar, camp «gauge»	Les partícules del camp poden compartir el mateix estat d'energia i formar un condensado. En mateix volum poden existir arbitrariamente molts bosones. Dota a la matèria de la seua massa.
${\psi }_{1,2}=-{\psi }_{2,1}$	Fermi-Dirac	Fermión	Fermiónico	Semientero	Camp espinoral: Fermión de Dirac, fermión de Majorana, fermión de Weyl	En un mateix volum poden existir una llimitada cantitat de partícules del camp, obedint al principi d'exclusió de Pauli. Dota a la matèria de volum i impenetrabilidad.

Física electrònica

La teoria quàntica de l'electró ideada per Paul Dirac descriu a l'electró a velocitats relativistes. D'esta es desprén l'idea del spin en forma natural com a part de la solució a la formulació relativista d'equació de Schrödinger.[2] Este esforç va excedir les expectatives, no solament explicant l'espectre de certs àtomsPlantilla:Quins sino la predicció confirmada en 1932 d'electrons en càrrega positiva: els positrones. No obstant, estes equacions descriuen a l'electró com un únic electró o un gas ideal d'electrons, i també que el camp elèctric de l'electró és despreciable sobre el que està immers.^{cita requerida} L'investigació teòrica sobre l'interacció de l'electró en el camp electromagnètic i entre electrons dona lloc a l'electrodinàmica quàntica. Esta última li la considera sumament exitosa pel grau de precisió de les seues prediccions.^{cita requerida}

Els métodos i conceptes utilisats en l'electrodinàmica quàntica varen donar lloc a la teoria quàntica de camps i va assentar les bases sobre la que es recolza el model estàndar.^{cita requerida}

Aspectes clau

Simetria

Les simetria són invarianzas davant transformacions. La teorema de Noether establix una correspondència entre una simetria i una llei de conservació, és dir establix una raó fonamental per la qual s'observa la conservació de certes magnituts.

Transformació espai-temporal	Magnitut conservada
Translació espacial	Moment llineal
Rotació	Moment angular
Translació temporal	Energia

Simetria Discretes

Wolfgang Pauli i Julian Schwinger independentment, varen demostrar que la invariancia baixe les transformacions de Lorentz, implica una invariancia CPT. Açò és, els camps quàntics relativistes són invariantes davant el canvi de partícula per la seua antipartícula i viceversa (Simetria C), invariantes davant l'inversió especular (Simetria P) i invariantes davant l'inversió temporal (Simetria T).

		Transformació de Paritat
		Leptones levógiros	Leptones dextrógiros
Conjugació de càrrega	Matèria	${(\genfrac{}{}{0ex}{}{{\nu }_e}{e^{-}})}_{\circlearrowleft },{(\genfrac{}{}{0ex}{}{{\nu }_{\mu }}{{\mu }^{-}})}_{\circlearrowleft },{(\genfrac{}{}{0ex}{}{{\nu }_{\tau }}{{\tau }^{-}})}_{\circlearrowleft }$	$e_{\circlearrowright }^{-},{\mu }_{\circlearrowright }^{-},{\tau }_{\circlearrowright }^{-}$
	Antimatèria	$e_{\circlearrowleft }^{+},{\mu }_{\circlearrowleft }^{+},{\tau }_{\circlearrowleft }^{+}$	${(\genfrac{}{}{0ex}{}{e^{+}}{{\overline{\nu }}_e})}_{\circlearrowright },{(\genfrac{}{}{0ex}{}{{\mu }^{+}}{{\overline{\nu }}_{\mu }})}_{\circlearrowright },{(\genfrac{}{}{0ex}{}{{\tau }^{+}}{{\overline{\nu }}_{\tau }})}_{\circlearrowright }$

No obstant, es va verificar experimentalment que l'interacció nuclear dèbil viola la simetria P: es comporta diferent a la seua image especular. Açò va supondre que una atra simetria és violada per a restaurar la simetria CPT.^{cita requerida} D'esta manera la simetria CP i la simetria T es varen supondre fonamentals.^{cita requerida} Experiments sobre el kaón varen demostrar que el sector cuark viola la simetria CP, conseqüentment la simetria T, encara que esta última no va poder ser verificada experimentalment per la seua dificultat.^{cita requerida}

Simetria Internes

Artícul principal → Teoria de camp de gauge.

Les simetria internes tenen un rol important en el model estàndar ya que d'elles es desprén la conservació de càrrega i definix inequívocament l'interacció entre partícules.

Simetria

Tipo	Conseqüències
Global i exacta	Conservació de càrrega
Global i espontàneament trencada	Campos escalares sense massa
Local i exacta	Interaccions. Bosones mediadors sense massa.
Local i espontàneament trencada	Interaccions. Bosones mediadors massius.

L'intensitat de l'interacció queda determinada per l'acoplament del fermión al camp gauge. Este acoplament coincidix en la càrrega elèctrica en l'electrodinàmica quàntica i per extensió de les càrregues dels fermiones carregats. Per la teorema de Noether a la simetria introduïda li correspon una conservació de càrrega. l'equació de Yang-Mills generalisa l'electrodinàmica quàntica introduint noves simetria gauge. Estes simetria introduïxen un nou bosón, que media la força corresponent.Plantilla:Qué

Transformació gauge	Conservació	Interacció	Bosón
O(1)	Càrrega elèctrica	Electromagnètica	Fotó
SUL(2)×OI(1)	Hipercarga dèbil i Isospín dèbil cita requerida	Electrodébil	W1,W2,W3,B
SU(3)	Càrrega de color	Nuclear forta	Gluón

Ruptura espontànea de simetria

Artícul principal → Mecanisme de Higgs.

Si ben el model és perfectament simètric, l'evidència experimental demostra que la realitat no és aixina, principalment perque l'inclusió de massa en el model trenca estes simetria, pero existix l'evidència empírica que demostra que les partícules són massives. Açò va posar en evidència una ruptura espontànea de simetria per al model electrodébil.

Vore també

• física nuclear
• interacció dèbil i teoria electrodébil
• partícula ionizante
• Mary K. Gaillard