El modelo estándar. Qué nombre tan aburrido para la teoría científica más precisa conocida por los seres humanos.

Más de una cuarta parte de los premios Nobel de física del último siglo son aportaciones directas o resultados directos del modelo estándar. Sin embargo, su nombre sugiere que si puede pagar unos dólares adicionales al mes, debería comprar la actualización. Como físico teórico, Preferiría La teoría absolutamente asombrosa de casi todo. Eso es lo que realmente es el Modelo Estándar.

Muchos recuerdan la emoción entre los científicos y los medios de comunicación por el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012. Pero ese evento tan publicitado no salió de la nada:coronó una racha invicta de cinco décadas para el Modelo Estándar. Todas las fuerzas fundamentales, excepto la gravedad, están incluidas en ella. Todo intento de revertirlo para demostrar en el laboratorio que debe ser reelaborado sustancialmente, y ha habido muchos en los últimos 50 años, ha fracasado.

En breve, el Modelo Estándar responde a esta pregunta:¿De qué está hecho todo, y ¿cómo se mantiene unido?

Los bloques de construcción más pequeños

Sabes, por supuesto, que el mundo que nos rodea está hecho de moléculas, y las moléculas están hechas de átomos. El químico Dmitri Mendeleev descubrió eso en la década de 1860 y organizó todos los átomos, es decir, los elementos - en la tabla periódica que probablemente estudiaste en la escuela secundaria. Pero hay 118 elementos químicos diferentes. Hay antimonio arsénico, aluminio, selenio ... y 114 más.

A los físicos les gustan las cosas simples. Queremos reducir las cosas a su esencia, algunos bloques de construcción básicos. Más de cien elementos químicos no es sencillo. Los antiguos creían que todo está hecho de solo cinco elementos:tierra, agua, fuego, aire y éter. Cinco es mucho más simple que 118. También está mal.

Para 1932, Los científicos sabían que todos esos átomos están hechos de solo tres partículas:neutrones, protones y electrones. Los neutrones y protones están fuertemente unidos al núcleo. Los electrones miles de veces más ligero, girar alrededor del núcleo a velocidades cercanas a la de la luz. Físicos Planck, Bohr, Schroedinger, Heisenberg y sus amigos habían inventado una nueva ciencia, la mecánica cuántica, para explicar este movimiento.

Ese habría sido un lugar satisfactorio para detenerse. Solo tres partículas. Tres es incluso más simple que cinco. Pero unidos, ¿cómo? Los electrones cargados negativamente y los protones cargados positivamente están unidos por electromagnetismo. Pero los protones están todos apiñados en el núcleo y sus cargas positivas deberían separarlos poderosamente. Los neutrones neutros no pueden ayudar.

¿Qué une a estos protones y neutrones? "Intervención divina" me dijo un hombre en la esquina de una calle de Toronto; tenía un panfleto, Podría leerlo todo. Pero este escenario parecía un gran problema incluso para un ser divino:controlar cada uno de los 10⁸⁰ protones y neutrones del universo y doblarlos a su voluntad.

Expandiendo el zoológico de partículas

Mientras tanto, la naturaleza se negó cruelmente a mantener su zoológico de partículas en solo tres. Realmente cuatro porque deberíamos contar el fotón, la partícula de luz que describió Einstein. Cuatro crecieron a cinco cuando Anderson midió electrones con carga positiva (positrones) que golpeaban la Tierra desde el espacio exterior. Al menos Dirac había predicho estas primeras partículas de antimateria. Cinco se convirtieron en seis cuando el pion, que Yukawa predijo que mantendría el núcleo unido, fue encontrado.

Luego vino el muón, 200 veces más pesado que el electrón, pero por lo demás un gemelo. "¿Quién ordenó eso?" I.I. Rabi bromeó. Eso lo resume todo. Numero siete. No solo no es simple, redundante.

En la década de 1960 había cientos de partículas "fundamentales". En lugar de la tabla periódica bien organizada, solo había largas listas de bariones (partículas pesadas como protones y neutrones), mesones (como los piones de Yukawa) y leptones (partículas de luz como el electrón, y los esquivos neutrinos), sin organización ni principios rectores.

En esta brecha se deslizó el Modelo Estándar. No fue un destello de brillantez de la noche a la mañana. No Arquímedes saltó de una bañera gritando "eureka". En lugar de, Hubo una serie de ideas cruciales de algunas personas clave a mediados de la década de 1960 que transformaron este atolladero en una teoría simple, y luego cinco décadas de verificación experimental y elaboración teórica.

Quarks. Vienen en seis variedades que llamamos sabores. Como helado, excepto que no tan sabroso. En lugar de vainilla, chocolate y así sucesivamente, tenemos arriba abajo, extraño, encanto, inferior y superior. En 1964, Gell-Mann y Zweig nos enseñaron las recetas:mezcla y combina tres quarks para obtener un barión. Los protones son dos quark up y down unidos; los neutrones son dos hacia abajo y hacia arriba. Elija un quark y un antiquark para obtener un mesón. Un pion es un quark up o down ligado a un anti-up o anti-down. Todo el material de nuestra vida diaria está hecho de quarks ascendentes y descendentes, anti-quarks y electrones.

Sencillo. Bien, simple-ish, porque mantener esos quarks atados es una hazaña. Están tan estrechamente vinculados entre sí que nunca se encuentra un quark o anti-quark por sí solo. La teoría de esa unión, y las partículas llamadas gluones (risas) que son responsables, se llama cromodinámica cuántica. Es una pieza vital del modelo estándar, pero matemáticamente difícil, incluso planteando un problema no resuelto de matemáticas básicas. Los físicos hacemos todo lo posible para calcular con él, pero todavía estamos aprendiendo cómo.

El otro aspecto del modelo estándar es "Un modelo de leptones". Ese es el nombre del artículo histórico de 1967 de Steven Weinberg que reunió la mecánica cuántica con los conocimientos vitales de cómo interactúan las partículas y organizó los dos en una sola teoría. Incorporaba el familiar electromagnetismo, se unió a lo que los físicos llamaron "la fuerza débil" que causa ciertas desintegraciones radiactivas, y explicó que eran diferentes aspectos de la misma fuerza. Incorporaba el mecanismo de Higgs para dar masa a las partículas fundamentales.

Desde entonces, el modelo estándar ha predicho los resultados de experimento tras experimento, incluido el descubrimiento de varias variedades de quarks y de los bosones W y Z, partículas pesadas que son para interacciones débiles lo que el fotón es para electromagnetismo. La posibilidad de que los neutrinos no carezcan de masa se pasó por alto en la década de 1960, pero se deslizó fácilmente en el Modelo Estándar en la década de 1990, unas décadas tarde en la fiesta.

Descubriendo el bosón de Higgs en 2012, predicho durante mucho tiempo por el modelo estándar y buscado durante mucho tiempo, fue una emoción pero no una sorpresa. Fue otra victoria crucial para el Modelo Estándar sobre las fuerzas oscuras que los físicos de partículas han advertido repetidamente que se ciernen sobre el horizonte. Preocupados porque el Modelo Estándar no encarnaba adecuadamente sus expectativas de simplicidad, preocupado por su autoconsistencia matemática, o mirando hacia adelante a la eventual necesidad de llevar la fuerza de la gravedad al pliegue, Los físicos han hecho numerosas propuestas de teorías más allá del Modelo Estándar. Estos llevan nombres emocionantes como Grand Unified Theories, Supersimetría, Tecnicolor y teoría de cuerdas.

Desafortunadamente, al menos para sus proponentes, Las teorías más allá del modelo estándar aún no han predicho con éxito ningún fenómeno experimental nuevo o ninguna discrepancia experimental con el modelo estándar.

Después de cinco décadas, lejos de requerir una actualización, el modelo estándar es digno de celebración como la teoría absolutamente asombrosa de casi todo.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.