Partículas y fuerzas
Conozca el zoológico de partículas: quarks, leptones y bosones calibre. Comprenda las cuatro fuerzas, la tabla del modelo estándar y lo que hace el LHC.
Física de partículas
El Modelo Estándar, quarks, leptones, bosones de calibre, el campo de Higgs y la búsqueda de la física más allá del Modelo Estándar.
Descripción general
La física de partículas estudia los constituyentes fundamentales de la materia y las fuerzas entre ellos. El Modelo estándar (una teoría cuántica de campos desarrollada durante las décadas de 1960 y 1970) describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales y todas las partículas elementales conocidas. Ha sido probado con extraordinaria precisión y sigue siendo el marco predictivo más exitoso de toda la ciencia.
El modelo estándar
Partículas de materia: fermiones
La materia se construye a partir de fermiones (partículas de espín-½ que obedecen al principio de exclusión de Pauli). Hay seis quarks — arriba, abajo, encantador, extraño, arriba, abajo— que sienten la fuerza fuerte y se combinan en hadrones (protones, neutrones, piones). Hay seis leptones (electrón, muón, tau y sus tres neutrinos correspondientes) que no sienten la fuerza fuerte.
Portadores de fuerza: bosones de calibre
Las fuerzas están mediadas por bosones de calibre: el fotón (fuerza electromagnética), los bosones W⁺, W⁻, Z⁰ (fuerza nuclear débil) y ocho gluones (fuerza fuerte). La gravedad no tiene una descripción cuántica en el modelo estándar: el hipotético gravitón no forma parte de él.
El mecanismo de Higgs
El campo de Higgs ocupa todo el espacio. Las partículas adquieren masa al interactuar con ellas: los bosones W y Z obtienen masa a través de una ruptura de simetría electrodébil, mientras que los quarks y los leptones cargados obtienen masa a través de acoplamientos de Yukawa. La excitación cuántica del campo de Higgs (el bosón de Higgs) se descubrió en el LHC del CERN en 2012 con una masa de ~125 GeV/c².
Cromodinámica cuántica
QCD es la teoría de calibre de la fuerza fuerte, basada en la simetría de color SU(3). Los quarks llevan carga de color (rojo, verde, azul); Los gluones también llevan color, razón por la cual la fuerza fuerte interactúa consigo misma. El confinamiento significa que nunca se observan quarks libres: siempre se unen a hadrones de color neutro. La libertad asintótica significa que los quarks interactúan débilmente a energías muy altas.
Más allá del modelo estándar
A pesar de su éxito, el Modelo Estándar tiene lagunas conocidas: no incluye la gravedad, no explica la materia o la energía oscuras, no tiene en cuenta la asimetría materia-antimateria y tiene demasiados parámetros libres. Las áreas de investigación activas incluyen la supersimetría, dimensiones adicionales, grandes teorías unificadas y candidatos a materia oscura.
Rutas de aprendizaje
Conceptos básicos de la teoría cuántica de campos
Diagramas de Feynman, leyes de conservación, grupos de simetría, violación de CP y mecanismo de Higgs.
Más allá del modelo estándar
Supersimetría, gran unificación, masas de neutrinos, bariogénesis y los problemas abiertos de la física de partículas.
Artículos clave
Quarks y leptones
Los componentes fundamentales de la materia y sus números cuánticos.
Leer →QCD y Confinamiento
Por qué nunca se ven quarks libres y cómo los gluones mantienen unido el núcleo.
Leer →Leptogénesis
Cómo la violación de CP en el universo primitivo puede explicar la asimetría materia-antimateria.
Leer →La historia de la violación del CP
Por qué la materia y la antimateria se comportan de manera ligeramente diferente y por qué eso es importante.
Leer →Pentaquarks en el LHCb
El descubrimiento de los estados de los cinco quarks en el LHC y lo que revelan sobre la QCD.
Leer →La anomalía del Muón g-2
Una discrepancia persistente entre teoría y experimento que insinúa una nueva física.
Leer →Preguntas frecuentes
¿Qué es el modelo estándar?
La teoría cuántica de campos de tres fuerzas fundamentales (EM, débil, fuerte) y todas las partículas elementales conocidas: seis quarks, seis leptones, bosones de calibre y el Higgs.
¿Qué mantiene unido al núcleo?
Los gluones unen los quarks en protones y neutrones (fuerza fuerte). Una fuerza fuerte residual (intercambio de piones) mantiene unido el núcleo.
¿Qué es el bosón de Higgs?
La excitación cuántica del campo de Higgs, que da masa a las partículas elementales. Descubierto en el LHC en 2012 a ~125 GeV/c².
¿Qué es la antimateria?
Cada partícula tiene una antipartícula con números cuánticos opuestos. La aniquilación partícula-antipartícula produce fotones. La asimetría materia-antimateria es un importante problema abierto.