¿Qué es el Modelo Estándar de la Física de Partículas? Definición y principios

El modelo estándar de la física de partículas es una de las teorías más importantes y bien definidas de la historia de la ciencia. Es el mapa de las partículas subatómicas que constituyen los bloques de la materia y que explican el origen de las fuerzas.

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Descubrir la receta del Universo ha sido, es y será una de las misiones más ambiciosas de la historia de la ciencia. Dar con los ingredientes que, en su nivel más elemental, dan lugar a la realidad que nos rodea será, seguramente, el mayor logro de la humanidad. El problema es que está siendo muy difícil. Demócrito, en el siglo IV a.C, fundó el atomismo. Este filósofo desarrolló la teórica atómica del Universo basándose en distintas ideas concebidas por su mentor, Leucipo. Demócrito afirmó que la materia estaba constituida por unas estructuras a las que les dió el nombre de átomos.

Demócrito habló de los átomos como aquellas piezas eternas, indivisibles, homogéneas, indestructibles e invisibles que, diferenciándose entre ellos por forma y tamaño pero no por cualidades internas, hacían variar las propiedades de la materia según su agrupamiento. Y aunque Demócrito iba por el buen camino y puso la semilla para el desarrollo de la teoría atómica, muchas cosas acerca de la concepción de los átomos fueron cambiando a lo largo de la historia. Más que nada porque estas ideas de Demócrito se basaban más en el razonamiento filosófico y teológico que en la evidencia y la experimentación científica. Pero todo cambió a principios del siglo XIX.

En busca de la receta del Cosmos

Era el año 1803. John Dalton, naturalista, químico, matemático y meteorólogo británico, desarrolló la primera teoría atómica con bases científicas. Aun así, este modelo atómico de Dalton, que nos dijo cosas tan interesantes y ciertas como que los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, también fallaba en ciertos aspectos.

Dalton postuló que los átomos eran partículas indivisibles. Algo que nos hacía creer que los ingredientes más elementales de la realidad eran estos átomos. Los ingredientes últimos de la naturaleza eran los átomos. Pero, ¿seguro que esto era cierto? El modelo atómico de Dalton estuvo sin ser cuestionado durante décadas pues era una buena explicación a lo que observábamos en el Universo. Pero la idea de que los átomos eran las piezas más pequeñas de esta receta que es la realidad se derrumbó el 30 de abril de 1897.

Joseph John Thomson, físico y matemático británico, descubrió una cosita que lo cambiaría todo. El electrón. Thomson desarrolló así su modelo atómico en 1904 el que se postulaba un átomo de carga positiva compuesto por electrones de carga negativa. Así empezaba la historia de la física de partículas. Los átomos no eran los ingredientes más elementales de la realidad. Estos estaban compuestos de unas unidades todavía más pequeñas conocidas como partículas subatómicas.

Y fue así como se pusieron los primeros bloques para el desarrollo de una de las teorías más importantes de la historia no solo de la física, sino de la ciencia en general. El modelo que nos permitiría tener la receta de la realidad. Lo más cerca que estamos de comprender la naturaleza más elemental de lo que nos rodea. El modelo estándar.

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El modelo estándar de la física de partículas: ¿cuáles son sus fundamentos?

Con el descubrimiento de las principales partículas subatómicas, el modelo estándar terminó de desarrollarse en la segunda mitad del siglo XX, obteniendo así un marco teórico en el que teníamos todas las partículas subatómicas que explican tanto la naturaleza elemental de la materia como el origen de tres de las cuatro fuerzas fundamentales: electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte. La cuarta, la gravedad, por ahora no encaja.

Este modelo estándar es una teoría relativista de campos cuánticos donde se presentan las 17 partículas subatómicas fundamentales y que, terminada de desarrollar en 1973, nos ha dado la receta de la realidad. Y hoy, vamos a desgranarlo. Pero antes de entrar en profundidad tenemos que saber que las partículas subatómicas se dividen en dos grandes grupos: fermiones y bosones.

Los fermiones son las partículas subatómicas elementales que componen la materia. Así pues, son los bloques de todo aquello que podemos ver. Los bosones, en cambio, son las partículas subatómicas de las fuerzas. Es decir, son las partículas responsables de la existencia del electromagnetismo, la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y, en teoría, la gravedad. Pero empecemos con los fermiones.

1. Fermiones

Los fermiones son los bloques de la materia. Las partículas subatómicas que siguen el principio de exclusión de Pauli, el cual, en resumidas cuentas, nos dice que los fermiones no pueden estar unos encima de otros en el espacio. Más técnicamente, que en un mismo sistema cuántico, dos fermiones no pueden tener sus números cuánticos idénticos.

Y dentro de estos fermiones, todo aquello de lo que estamos hechos se puede reducir a la combinación de tres partículas subatómicas: electrones, up quarks y down quarks. Aunque hay otras partículas fermiónicas. Vayamos uno por uno.

1.1. Electrones

A grandes rasgos, los fermiones se dividen en leptones y en quarks. Los leptones son partículas fermiónicas de masa pequeña y sin color, un tipo de simetría de gauge propia de los quarks pero no de los leptones. Así, los electrones son un tipo de leptones con una carga eléctrica negativa y una masa unas 2.000 veces inferior a la de los protones. Estos electrones orbitan alrededor del núcleo de los átomos debido a la atracción electromagnética con las piezas de este núcleo. Y estas piezas son lo que conocemos como quarks.

1.2. Up y Down Quarks

Los quarks son partículas fermiónicas masivas que interactúan fuertemente entre ellas. Son las únicas partículas subatómicas elementales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales y que no se encuentran libres, sino confinadas en grupo a través de un proceso físico conocido como confinamiento de color.

Los quarks más famosos son los up quark y los down quark. Diferenciados entre ellos por su espín (el de los up quark es más un medio y el de los down quark, de menos un medio), son las piezas elementales del núcleo de los átomos.

Un protón es la partícula subatómica compuesta que surge de la unión de dos up quarks y de un down quark. Y los neutrones, aquella que surge de la unión de dos down quark y de un up quark. Ahora toma estos neutrones y protones, júntalos y tienes un núcleo. Ahora pon electrones a girar como locos alrededor y tienes un átomo. Ahora toma varios átomos y mira tienes materia.

Todo aquello que observas en el Universo. Personas. Rocas. Plantas. Agua. Estrellas. Planetas… Todo está hecho de tres piezas: electrones y estos dos tipos de quarks. Ordenados de infinitas formas para dar lugar a toda la realidad que percibimos. Pero como hemos insinuado ya, ni los up y down quarks son los únicos quarks ni los electrones son los únicos leptones. Sigamos con el modelo estándar.

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1.3. Muones

Un muón es un tipo de leptón con una carga eléctrica negativa de -1, como electrón, pero una masa 200 veces mayor a él. Es una partícula subatómica inestable, pero con una vida media ligeramente más alta de lo normal: 2,2 microsegundos. Se producen por desintegración radiactiva y en 2021, se demostró que su comportamiento magnético no encaja con el modelo estándar. De ahí que se hablara de la hipotética existencia de una quinta fuerza del Universo, de la cual tenemos un artículo al cual te damos acceso justo aquí abajo.

1.4. Tau

Un tau, por su parte, es un tipo de leptón con una carga eléctrica también de -1 pero ahora con una masa 4.000 veces mayor a la de un electrón. Así que es casi el doble de masivo que un protón. Y estos sí que tienen una vida corta. Su vida media es de 33 picómetros (la billonésima parte de un segundo) y es el único leptón con una masa suficientemente grande para desintegrarse, en el 64% de los casos, en hadrones.

Los muones y los tau se comportan igual igual que un electrón pero tienen, como hemos visto, una masa mayor. Pero ahora es el momento de sumergirnos en el extraño mundo de los neutrinos, donde tenemos tres “sabores”: electrón neutrino, el muon neutrino y el tau neutrino.

1.5. Electrón neutrino

Un electrón neutrino es una partícula subatómica muy extraña que no tiene carga eléctrica y su masa es tan increíblemente pequeña que, básicamente, se considera nula. Pero no puede ser nula (aunque el modelo estándar diga que no puede tener masa) ya que, de serlo, viajaría a la velocidad de la luz, no experimentaría el paso del tiempo y, por tanto, no podría oscilar a otros “sabores”.

Su masa es casi un millón de veces inferior a la del electrón, siendo así el neutrino menos masivo. Y esta masa tan pequeña hacen que viajen prácticamente a la velocidad de la luz. Cada segundo, sin que te enteres, unos 68 millones de millones de neutrinos que pueden haber cruzado todo el Universo están atravesando cada centímetro cuadrado de tu cuerpo, pero no lo notamos porque no chocan contra nada.

Fueron descubiertos en 1956 pero el hecho de que solo interactúen a través de la fuerza nuclear débil, que casi no tengan masa y que no dispongan de carga eléctrica hace que su detección sea casi imposible. La historia de su descubrimiento, así como las implicaciones que pueden tener en el origen del Universo, es fascinante, así que te dejamos acceso a un artículo dedicado íntegramente en el siguiente enlace.

1.6. Muón neutrino

El muón neutrino es un tipo de leptón de segunda generación que sigue sin tener carga eléctrica y que solo interactúa a través de la fuerza nuclear débil, pero un poco más masivos que los neutrinos electrónicos. Su masa es la mitad de la del electrón. En septiembre de 2011, un experimento del CERN pareció indicar la existencia de unos muones neutrinos desplazándose a velocidades superiores a la de la luz, algo que haría cambiar nuestra concepción del Universo. Al final, sin embargo, se demostró que había sido debido a un error en el experimento.

1.7. Tau neutrino

El tau neutrino es un tipo de leptón de tercera generación que sigue sin tener carga eléctrica y que solo interactúa a través de la fuerza nuclear débil, pero es el neutrino más masivo de todos. De hecho, su masa es 30 veces superior a la del electrón. Siendo descubierto en el año 2000, es la segunda partícula subatómica de descubrimiento más reciente.

Con esto hemos terminado los leptones, pero dentro de los fermiones quedan todavía los otros tipos de quarks. Y luego quedarán todavía todos los bosones. Pero vayamos paso a paso. Volvamos a los quarks. Hemos visto los up y los down, que dan lugar a los protones y a los neutrones. Pero hay más.

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1.8. Quark extraño

Por un lado, tenemos dos “versiones” de los down quark, que son los quark extraño y los quark fondo. Un quark extraño es un tipo de quark de segunda generación con espín de -1 y carga eléctrica de menos un tercio que es una de las piezas fundamentales de los hadrones, las únicas partículas subatómicas compuestas al margen de protones y neutrones. Estos hadrones son también las partículas que hacemos colisionar en el Gran Colisionador de Hadrones de Ginebra para ver en qué se desintegran.

Estos quarks extraños está dotados de un número cuántico conocido como extrañez, que queda definido por el número de antiquarks extraños menos el número de quarks extraños que lo constituyen. Y se llaman “extraños” porque su vida media es extrañamente superior a la esperada.

1.9. Quark fondo

Un quark fondo es un tipo de quark de tercera generación con espín de +1 y carga eléctrica de menos un tercio que constituye el segundo quark más masivo. Determinados hadrones, como los mesones B, están formados por estos tipos de quarks, que los dotan de un número cuántico llamado “inferioridad”. Ahora ya casi estamos de los fermiones. Quedan solo las dos versiones de los up quark, que son los quarks encantandos y los quarks cima.

1.10. Quark encantado

Un quark encantado es un tipo de quark de segunda generación con espín de +1 y carga eléctrica de más dos tercios con una vida media corta y que parecen ser responsables de la formación de hadrones. Pero no sabemos mucho más acerca de ellos.

1.11. Quark cima

Un quark cima es un tipo de quark de tercera generación con una carga eléctrica de más dos tercios que es el quark más masivo de todos. Y es justo esta masa inmensa (relativamente hablando, claro) lo que hace que sea una partícula subatómica muy inestable que se desintegra en menos de un yoctosegundo, que es la cuatrillonésima parte de un segundo.

Fue descubierto en 1995, siendo así el último quark en ser descubierto. No tiene tiempo de formar hadrones pero sí que los dota de un número atómico conocido como superioridad. Y con esto terminamos con los fermiones, las partículas subatómicas del modelo estándar que, como hemos dicho, son los bloques de la materia. Pero hasta ahora no hemos entendido el origen de las fuerzas que rigen el Universo. Así que es el momento de hablar del otro gran grupo: los bosones.

2. Bosones

Los bosones son las partículas subatómicas que ejercen las fuerzas fundamentales y que, a diferencia de los fermiones, ni son las unidades de la materia ni cumplen con el principio de exclusión de Pauli. Es decir, dos bosones pueden tener sus números cuánticos idénticos. Pueden, entre comillas, solaparse.

Son las partículas que explican el origen elemental del electromagnetismo, de la fuerza nuclear débil, de la fuerza nuclear fuerte y, en teoría, de la gravedad. Así, a continuación vamos a hablar de los fotones, de los gluones, de los bosones Z, de los bosones W, del bosón de Higgs y del hipotético gravitón. Vayamos, de nuevo, paso a paso.

2.1. Fotones

Los fotones son un tipo de bosones sin masa y sin carga eléctrica, siendo las partículas dentro del grupo de bosones de Gauge que explican la existencia de la fuerza electromagnética. La fuerza elemental de interacción que se da entre partículas cargadas eléctricamente. Todas las partículas con carga eléctrica experimentan esta fuerza, que se manifiesta con una atracción (si son de distinta carga) o con una repulsión (si son de misma carga).

El magnetismo y la electricidad quedan unidas a través de esta fuerza mediada por los fotones y que es responsable de infinidad de sucesos. Desde que los electrones orbiten alrededor del átomo (los protones tienen carga positiva y los electrones, carga negativa) hasta los rayos de la tormenta. Los fotones hacen posible que el electromagnetismo exista.

También podemos entender los fotones como “las partículas de la luz”, por lo que, además hacer posible el electromagnetismo, permiten la existencia del espectro de ondas donde se encuentra la luz visible, las microondas, los infrarrojos, los rayos gamma, el ultravioleta, etc.

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2.2. Gluones

Los gluones son un tipo de bosones sin masa y sin carga eléctrica, pero sí con carga de color (un tipo de simetría de gauge), por lo que no solo transmite una fuerza, sino que también la experimenta ella misma. Sea como sea, lo importante es que los gluones son responsables de la fuerza nuclear fuerte. Los gluones hacen posible la existencia de la que es la fuerza más fuerte de todas.

Los gluones son las partículas portadoras de la interacción que constituye el “pegamento” de los átomos. La fuerza nuclear fuerte permite que los protones y los neutrones se mantengan unidos (a través de la interacción más fuerte del Universo), manteniendo así la integridad del núcleo atómico.

Estas partículas gluónicas transmiten una fuerza 100 veces más intensa que la que transmiten los fotones (la electromagnética) y que es de menor alcance, pero el suficiente como para evitar que los protones, que tienen carga positiva, se repelan entre ellos. Los gluones consiguen que, a pesar de las repulsiones electromagnéticas, los protones y los neutrones se mantengan enganchados en el núcleo del átomo. Dos de las cuatro fuerzas ya las tenemos. Ahora toca hablar de la fuerza nuclear débil, mediada por dos bosones: los W y los Z.

2.3. Bosones W y Z

Los bosones W son un tipo de bosones muy masivos que, al igual que los Z, son responsables de la fuerza nuclear débil. Tienen una masa ligeramente inferior a la de los Z y, a diferencia de estos, no son eléctricamente neutros. Tenemos bosones W de carga positiva (W+) y de carga negativa (W-). Pero, al fin y al cabo, su papel es el mismo que el de los bosones Z, pues son portadores de la misma interacción.

En este sentido, los bosones Z son eléctricamente neutros y algo más masivos que los W. Pero siempre se habla de ellos de forma conjunta, pues contribuyen a la misma fuerza. Los bosones Z y W son las partículas que hacen posible la existencia de la fuerza nuclear débil, la cual actúa a nivel del núcleo atómico pero siendo menos intensa que la fuerte y que permite que los protones, los neutrones y los electrones se desintegren en otras partículas subatómicas.

Estos bosones Z y W estimulan una interacción que hace que los neutrinos (que ya los hemos visto antes), al acercarse a un neutrón, se conviertan en protones. De forma más técnica, los bosones Z y W son los portadores de la fuerza que permite la desintegración beta de los neutrones. Estos bosones se trasladan desde el neutrino al neutrón. Ahí está la interacción nuclear débil, pues el neutrón (del núcleo) atrae (de forma menos intensa que en la nuclear) el bosón Z o W del neutrino. Tres de las cuatro fuerzas las tenemos, pero antes de llegar a la gravedad, tenemos que hablar del bosón de Higgs.

2.4. Bosón de Higgs

El bosón de Higgs, la mal llamada partícula de Dios, es el único bosón escalar, de espín igual a 0, cuya existencia se hipotetizó en 1964, año en el que Peter Higgs, físico británico, propuso la existencia del bautizado como campo de higgs, un tipo de campo cuántico.

El campo de Higgs se teorizó como una especie de tela que impregna todo el Universo y que se extiende por todo el espacio, dando lugar a un medio que interactúa con los campos del resto de partículas del modelo estándar. Porque la cuántica nos dice que la materia, en su nivel más elemental, no son “bolitas”, son campos cuánticos. Y este campo de Higgs es el que aporta masa a los otros campos. En otras palabras, es el que explica el origen de la masa de la materia.

El bosón no era lo importante. Lo importante era el campo. Pero el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 fue la forma de probar que el campo de Higgs existía. Su descubrimiento nos hizo confirmar que la masa no es una propiedad intrínseca de la materia, sino una propiedad extrínseca que depende del grado en el que una partícula se ve afectada por el campo de Higgs.

Las que tienen más afinidad por este campo, serán las más masivas (como los quarks); mientras que las que tienen menos afinidad, serán las menos masivas. Si un fotón no tiene masa es porque no interactúa con este campo de Higgs.

El bosón de Higgs es una partícula sin espín ni carga eléctrica, con una vida media de un zeptosegundo (la miltrillonésima parte de un segundo) y que pudo ser detectada por excitación del campo de Higgs, algo que se logró gracias al Gran Colisionador de Hadrones, donde se necesitaron tres años de experimentos haciendo colisionar 40 millones de partículas por segundo a una velocidad cercana a la de la luz para perturbar el campo de Higgs y medir la presencia de la que más tarde fue denominada como “La partícula de Dios”. Te dejamos también enlace a un artículo donde profundizamos mucho más en él.

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2.5. ¿El gravitón?

Hemos entendido el origen elemental de los bloques de la materia y el origen cuántico, a través de sus partículas mediadoras, de tres de las cuatro fuerzas. Solo faltaba una. Y sigue faltando. La gravedad. Y aquí viene uno de los mayores problemas que está afrontando la física actual. No hemos encontrado el bosón responsable de la interacción gravitatoria.

No sabemos qué partícula es portadora de una fuerza tan débil pero de alcance tan enorme, permitiendo la atracción entre galaxias separadas por millones de años luz. La gravedad no encaja, por ahora, dentro del modelo estándar de partículas. Pero tiene que haber algo que transmita la gravedad. ¿Será que la gravedad no es una fuerza o hay una partícula que se nos está escapando?

Tendría que haber un bosón mediador de la gravedad. Por ello, los físicos van en busca de lo que ya ha sido bautizado como gravitón, una hipotética partícula subatómica que permita explicar el origen cuántico de la gravedad y conseguir, por fin, unificar las cuatro fuerzas fundamentales dentro del marco teórico de la mecánica cuántica. Pero por ahora, si existe este gravitón, no somos capaces de encontrarlo.

Lo que está claro es que este modelo estándar, esté o no incompleto, es uno de los mayores logros de la historia de la humanidad, al dar con una teoría que nos permita comprender el origen más elemental de la realidad. Las unidades subatómicas que hacen que, en definitiva, todo exista.

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