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

Más de una cuarta parte de los Premios Nobel de Física del siglo pasado son entradas directas o resultados directos del Modelo Estándar. Sin embargo, su nombre sugiere que si puede pagar algunos dólares adicionales al mes, debe comprar la actualización. Como físico teórico , preferiría The Absolutely Amazing Theory of Casi todo. Eso es lo que realmente es el Modelo Estándar.

Muchos recuerdan la emoción entre los científicos y los medios por el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 . Pero ese evento muy publicitado no surgió de la nada, culminó una racha invicta de cinco décadas para el Modelo Estándar. Toda fuerza fundamental excepto la gravedad está incluida en ella. Todo intento de revocarlo para demostrar en el laboratorio que debe ser revisado sustancialmente, y ha habido muchos en los últimos 50 años, ha fallado.

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

Los bloques de construcción más pequeños

Ya sabes, por supuesto, que el mundo que nos rodea está hecho de moléculas, y las moléculas están hechas de átomos. El químico Dmitri Mendeleev lo descubrió 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, unos pocos bloques de construcción básicos. Más de cien elementos químicos no son simples. 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 es incorrecto.

En 1932, los científicos sabían que todos esos átomos están hechos de solo tres partículas: neutrones, protones y electrones. Los neutrones y protones están unidos estrechamente en el núcleo. Los electrones, miles de veces más ligeros, giran alrededor del núcleo a velocidades cercanas a las de la luz. Los físicos Planck , Bohr , Schroedinger , Heisenberg y sus amigos inventaron una nueva ciencia, la mecánica cuántica , para explicar este movimiento.

Eso habría sido un lugar satisfactorio para parar. Solo tres partículas. Tres es incluso más simple que cinco. Pero unidos cómo? Los electrones cargados negativamente y los protones con carga positiva están unidos por electromagnetismo . Pero los protones están todos acurrucados juntos en el núcleo y sus cargas positivas deberían empujarlos de manera poderosa. Los neutrones neutrales no pueden ayudar.

¿Qué une estos protones y neutrones? «Intervención divina», me dijo un hombre en una esquina de una calle de Toronto; él tenía un panfleto, podía leerlo todo. Pero este escenario parecía ser un montón de problemas, incluso para un ser divino, controlando cada uno de los 10⁸⁰ protones y neutrones del universo y doblándolos a su voluntad.

Ampliando el zoológico de partículas

Mientras tanto, la naturaleza cruelmente se negó a mantener su zoo de partículas a 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 – golpeando la Tierra desde el espacio exterior. Al menos Dirac había predicho estas primeras partículas de antimateria. Cinco se convirtieron en seis cuando se encontró el pión, que Yukawa predijo que mantendría el núcleo unido.

Luego vino el muón: 200 veces más pesado que el electrón, pero por lo demás era un gemelo. «¿Quién ordenó eso?» II 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, 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 elusivos neutrinos) – con sin organización y sin principios rectores.

En esta brecha se escabulló el Modelo Estándar. No fue un destello brillante de la noche a la mañana. No Arquímedes saltó de la bañera gritando «eureka». En cambio, hubo una serie de ideas cruciales de unos pocos individuos 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 el helado, excepto que no es tan sabroso. En lugar de vainilla, chocolate, etc., tenemos arriba, abajo, extraño, encanto, abajo y arriba. En 1964, Gell-Mann y Zweig nos enseñaron las recetas: mezclar y combinar tres quarks para obtener un barión. Los protones son dos ups y un quark down unidos; los neutrones son dos downs y un up. Elige un quark y un antiquark para obtener un mesón. Un pion es un quark up o un down limitado a un anti-up o un anti-down. Todo el material de nuestra vida cotidiana está formado por quarks y anti-quarks y electrones.

Sencillo. Bueno, simple, porque mantener esos quarks atados es una hazaña. Están atados el uno al otro con tanta fuerza que nunca encontrarás un quark o anti quark por sí mismo. La teoría de esa unión, y las partículas llamadas gluones (risa) que son responsables, se llama cromodinámica cuántica . Es una pieza vital del Modelo Estándar, pero matemáticamente difícil, incluso plantea un problema no resuelto de las matemáticas básicas. Los físicos hacemos todo lo posible para calcular, pero aún estamos aprendiendo cómo hacerlo.

El otro aspecto del Modelo Estándar es » Un modelo de Leptons «. Ese es el nombre del famoso documento de 1967 de Steven Weinberg que reunió a la mecánica cuántica con las piezas vitales de conocimiento de cómo las partículas interactúan y las organizó en una sola teoría. Incorporó el electromagnetismo familiar, lo unió a lo que los físicos llamaron «la fuerza débil» que causa ciertas desintegraciones radiactivas, y explicó que eran aspectos diferentes de la misma fuerza. Incorporó 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 el electromagnetismo. La posibilidad de que los neutrinos no sean sin 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 más tarde a la fiesta.

Descubrir el bosón de Higgs en 2012, largamente previsto por el modelo estándar y largamente buscado, 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 surgió en el horizonte. Preocupados porque el Modelo Estándar no encarnó adecuadamente sus expectativas de simplicidad, preocupado por su autoconsistencia matemática o mirando hacia la eventual necesidad de incorporar la fuerza de la gravedad en el pliegue, los físicos han hecho numerosas propuestas de teorías más allá del estándar. Modelo. Éstos llevan nombres interesantes como Grand Unified Theories, Supersymmetry , Technicolor y String Theory .

Tristemente, 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.