Las fuerzas fundamentales y el modelo estándar


Sergio Díaz Borja, alumno de último curso del grado de Física de la Universidad Autónoma de Madrid, nos trae este artículo introductorio sobre las fuerzas fundamentales y las nociones básicas de qué es exactamente el modelo estándar.

En la naturaleza existen 4 fuerzas fundamentales: la gravitatoria, responsable de que la Tierra gire alrededor del Sol y de eventos tan interesantes  como la colisión de galaxias, la electromagnética, que es la encargada de hacer que al juntar los polos opuestos de un imán estos tiendan a acercarse  o de que dos cargas del mismo signo se repelan, la fuerza nuclear débil,  a la que se le deben efectos como la desintegración del uranio en plomo, y la fuerza nuclear fuerte, responsable de que los protones y neutrones estén unidos para conformar el núcleo atómico.

La física intenta dar una descripción matemática  ( y , a ser posible, una explicación) de los fenómenos que ocurren en la naturaleza.  ¿Y qué mejor manera para hacerlo que explicando las 4 fuerzas fundamentales que rigen los procesos físicos de forma unificada? Esto es lo que intenta hacer el modelo estándar.

El modelo estándar

El modelo estándar es una teoría que trata de explicar de forma unificada las formas de interacción de las 4 fuerzas fundamentales.  Estas  interacciones  se describen  a través de la interacción entre las partículas que constituyen el universo. Las partículas son elementos muy pequeños  y, por tanto, para tratar de describirlas hay que utilizar la mecánica cuántica, que es la teoría que describe el comportamiento de los elementos más pequeños que pueden encontrarse en el universo.

El modelo estándar es lo que se llama una teoría cuántica de campos, lo que quiere decir que procede de aplicar la mecánica cuántica a las teorías clásicas de campos (como el campo electromagnético, que estaba “clásicamente” descrito desde la publicación de las ecuaciones que lo rigen, las llamadas ecuaciones de Maxwell, a finales del Siglo XIX). Aplicar la mecánica cuántica a una teoría de campo es lo que se denomina cuantizar. Hasta ahora se ha logrado cuantizar 3 de las 4 fuerzas fundamentales. La fuerza gravitatoria, descrita de forma clásica por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, no se ha conseguido cuantizar a día de hoy.

Como resultado de la cuantización de un campo se obtiene la existencia de una serie de partículas asociadas a ese campo y que son las responsables de su interacción:   las llamadas partículas mediadoras de la interacción. Tenemos, por tanto, dos tipos de partículas: partículas de materia y partículas mediadoras de la interacción.

El espín de las partículas

Una propiedad muy importante que determina el comportamiento de una partícula cuando se trata de mecánica cuántica es el espín. El espín es un momento angular intrínseco que tienen las partículas (y que hace que interaccionen con campos magnéticos incluso cuando no tienen carga). Otra particularidad del espín es que puede ser entero (0, 1, 2 ,3 ,4…) o semientero (1/2, 3/2, 5/2…).

Las partículas que tienen espín entero se denominan bosones y las partículas con espín semientero se denominan fermiones.  El tipo de espin que tienen las partículas es muy importante porque determinan muchas de sus propiedades y cómo pueden colocarse en el espacio. Se observa que las partículas mediadoras de las interacciones tienen espín entero (bosones) por lo que se las denomina bosones Gauge, mientras que las partículas que constituyen la materia son fermiones.

Tipos de partículas, más extensamente

La materia está constituida por átomos, que tienen la siguiente forma:

Figura 1. Imagen esquemática de un átomo.

Como se puede apreciar en la imagen, hay 2 zonas diferenciadas: una parte central  constituida por dos tipos de partículas (protones y neutrones) llamada núcleo, y una zona externa, la corteza, en la que los electrones  se encuentran girando alrededor del núcleo a grandes velocidades. Por lo tanto, para empezar ya tenemos 3 tipos de partículas: los electrones, los protones y los neutrones.

Los electrones son partículas elementales (es decir, no están formados por partículas más pequeñas), mientras que los protones y neutrones no lo son. Están formados por partículas llamadas Quarks.  Existen dos tipos de quark, el quark up (u)  y el quark Down (d). El protón está formado por 3 quarks (uud) y el neutrón por otros 3 (ddu).

Tenemos por tanto dos tipos de partículas dentro de las partículas de materia: los quarks y los electrones,  que reciben el nombre de leptones. Hay que destacar que existen 3 familias, también llamadas generaciones,  de partículas que constituyen la materia.

La primera familia está constituida por los quarks up y down y los electrones. En la segunda familia, por parte de los quarks tenemos a l quark charm (c) y al quark  strange (s), que son iguales a los quarks up  y down, respectivamente, pero tienen más masa. Por parte de los leptones se encuentra el muón, que es idéntico al electrón en propiedades, pero, al igual que el caso de los quarks, es más masivo. Por último, en la tercera familia, por parte de los quarks tenemos  al quark top y al quark bottom y por parte de los leptones tenemos al tauón.

Para completar  los leptones, hay que hablar de  los neutrinos, partículas que acompañan a los leptones y cuya existencia es necesaria para que se cumplan ciertas reglas de conservación en las interacciones. Así pues, tenemos el neutrino electrónico en la primera generación, el neutrino muónico en la segunda generación y el neutrino tauónico en la tercera generación. Todas las partículas mencionadas son las constituyentes de la materia.

Partículas mediadoras

Como hemos mencionado, como resultado de la cuantización los campos se obtiene la existencia de partículas mediadoras de la interacción. Estas partículas son los fotones, mediadores de la fuerza electromagnética,  los bosones W, Z+ y Z-, responsable de la fuerza nuclear débil, y los gluones, que son los mediadores de la fuerza nuclear fuerte.  Un aspecto importante a reseñar es que todas estas partículas han sido observadas de forma experimental en el LHC (Large Hadron Collider), el acelerador de partículas más importante a día de hoy.  Un hecho que hay que tener en cuenta es que la física es una ciencia experimental y, por tanto, el experimento tiene la última palabra.  Lo realmente fascinante acerca del modelo estándar es que  por el hecho de  cuantizar los campos se obtuvo la necesidad de la existencia de ciertas partículas,  y esas partículas se han observado en la realidad.

Lo último que cabe destacar es una propiedad de la materia que puede parecer un tanto extraña, pero que está demostrada experimentalmente: toda partícula tiene asociada su antipartícula, que es una partícula que tiene las mismas propiedades, pero la carga eléctrica tiene signo contrario. Algunas antipartículas son el positrón, antipartícula del electrón, el antimuón, el antiquark up y el antineutrino muónico.

Esta propiedad de la materia está introducida de forma natural en las soluciones de la ecuación de Dirac, que es la ecuación que rige la mecánica cuántica relativista (mecánica cuántica de aquellas partículas que se mueven a velocidades cercanas a las de la luz).

Y, finalmente, la representación del modelo Estándar queda de la siguiente manera:

Figura 2. Resumen de las partículas de modelo estándar.

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