¿Cuál es el modelo estándar de física de partículas? » ABC de la ciencia

El modelo estándar es una teoría que intenta explicar todo (los componentes básicos del universo) utilizando partículas elementales (también conocidas como partículas fundamentales) y fuerzas fundamentales.

“Existe una teoría que establece que si alguna vez alguien descubre exactamente para qué sirve el Universo y por qué está aquí, desaparecerá instantáneamente y será reemplazado por algo aún más extraño e inexplicable”. –Douglas Adams

Cuando Lucy obtiene el poder de usar el 100% de su cerebro, simplemente desaparece y envía un mensaje simple: estoy en todas partes. Los humanos siempre hemos creído que el conocimiento completo sobre el universo nos llevaría a una forma superior de existencia. Ha sido el santo grial tanto de la teología como de la ciencia: comprender todo sobre el universo. Mientras que la teología cree en formas más sobrenaturales para lograr este objetivo, la ciencia intenta encontrar su camino a través del difícil camino trazado por teorías más nuevas y diferentes. Aunque estamos lejos de entender todo sobre el universo, estamos haciendo un progreso real. Ya ha habido muchos contendientes por la teoría del todo, pero ninguno ha demostrado ser tan preciso teórica y experimentalmente como el modelo estándar.

¿Qué es el Modelo Estándar?

El modelo estándar es una teoría de la física cuántica (la parte de la física que se ocupa principalmente de las cosas a pequeña escala, pero que también tiene repercusiones a escalas más grandes) que intenta responder a todas las preguntas sobre el comportamiento de la materia y sus interacciones con el cosas a su alrededor. El modelo estándar asume que todo en este mundo está hecho de un conjunto de partículas elementales distintas que no se pueden dividir más. En términos más simples, estas partículas son los componentes básicos de nuestro universo (hablaremos de ellas con más detalle en breve).

Así como las partículas elementales componen la materia, existen cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza que son la raíz de todo tipo de fuerzas diferentes que experimentamos en la vida diaria. Estas fuerzas fundamentales son: fuerza electromagnetica (la fuerza unificada debida a los efectos del campo eléctrico y magnético), interacciones débiles y fuertes (las fuerzas que gobiernan los procesos de unión y descomposición de los átomos), y nuestro amado gravedad, que no necesita presentación. Todas las demás fuerzas caen bajo estas cuatro fuerzas.

Diagrama del Modelo Estándar de física de partículas.  12 partículas fundamentales que componen la materia y 4 portadores de fuerza fundamentales.  Vector.

El Modelo Estándar de física de partículas divide las partículas elementales de una manera particular dependiendo de sus propiedades. (Crédito de la foto: Designua/Shutterstock)

¿Qué son las partículas elementales?

El ser humano siempre se ha preguntado de qué está hecho todo. Hemos tenido muchas teorías diferentes, no solo desde un punto de vista físico, sino también desde puntos de vista teológicos y filosóficos. Siempre ha sido una de las cuestiones más sustanciales en la historia de la humanidad. ¿De qué estamos hechos nosotros y todo lo que nos rodea? ¿Cuál es la unidad más pequeña de este universo? ¿Cuál es la unidad más pequeña de materia?

Primero, solíamos creer que la materia está hecha de átomos sólidos que no se pueden dividir más, pero luego, a medida que experimentamos más y más, nos dimos cuenta de que hay unidades, partículas, que son aún más pequeñas. Incluso el átomo, que solíamos creer que era la escala más pequeña del universo, está compuesto de algo que es aún más pequeño. Fue entonces cuando descubrimos la existencia de un electrón con carga negativa alrededor de un núcleo con carga positiva.

Cuando los científicos excavaron más profundamente en el núcleo, descubrieron que este pequeño está hecho no solo de un solo tipo de partícula, sino de dos tipos diferentes de partículas que son más pequeñas que el núcleo y tienen diferentes propiedades eléctricas. Esta persecución del ratón continúa, mientras seguimos esforzándonos por encontrar la unidad más pequeña del universo.

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Hay una muñeca más pequeña dentro de cada muñeca rusa. Esto es similar a la materia que nos rodea. Las partículas elementales son las muñecas rusas más pequeñas del universo. (Crédito de la foto: Chatchawan/Shutterstock)

Hemos encontrado muchas partículas diferentes hasta ahora, incluidos protones, neutrones y electrones, pero ¿qué hace que algunas de ellas sean elementales? Bueno, es elemental, como sugiere el nombre. Las partículas que no están hechas de nada más pequeño que ellas, o en otras palabras, las partículas que no se pueden descomponer más, se conocen como partículas elementales. Un electrón ya no se puede dividir en una partícula que sea más fundamental, mientras que los protones y los neutrones están formados por partículas aún más pequeñas y más fundamentales, conocidas como quarks. Por lo tanto, los electrones y los quarks son solo algunos ejemplos de partículas elementales.

Icono científico vectorial Modelo estándar de física

Todas las partículas elementales actualmente establecidas en el Modelo Estándar. (Crédito de la foto: ShadeDesign/Shutterstock)

¿Cómo explica todo el Modelo Estándar?

Como se mencionó anteriormente, el modelo estándar es una teoría que intenta explicar todo (los componentes básicos del universo) utilizando estas partículas elementales (también conocidas como partículas fundamentales) y las fuerzas fundamentales. Sin embargo, hay una trampa, el modelo estándar, a partir de ahora, no puede explicar la gravedad. El modelo intenta unificar todas las fuerzas y partículas en una sola ecuación que puede describir todas las formas en que se comporta la materia, pero no puede dar cuenta de la gravedad. Por eso se la conoce como la teoría de casi todo.

La forma en que lo hace es mediante el uso de una sola ecuación que da un Lagrangiano (en palabras muy simples, un Lagrangiano es básicamente la diferencia entre la energía cinética y la energía potencial del sistema) controlado por parámetros que dependen de los valores que provienen de la partículas elementales. Se pueden usar varios operadores mecánicos cuánticos diferentes (solo un nombre elegante para las funciones que realizan acciones en el Lagrangiano) para obtener la información y las ecuaciones sobre diferentes escenarios físicos de este Lagrangiano.

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A pesar de que no puede explicar todo en la naturaleza en este momento, el Modelo Estándar sigue siendo la teoría más exitosa que los humanos jamás hayan ideado. Coincide muy bien con los resultados experimentales y funciona como la base de una plétora de nuevas teorías que intentan unificar la fuerza de la gravedad con el resto del modelo, aunque ninguna lo ha logrado.

Conclusión

El Modelo Estándar es lo más cerca que hemos llegado a una teoría del todo y continuamos mejorando y construyendo sobre él. Aunque estamos lejos de nuestro objetivo de averiguarlo todo sobre el universo, el Modelo Estándar es un hito muy importante. Algún día pronto seguramente tendremos una teoría del todo, momento en el cual el universo se convertirá en algo completamente extraño e inexplicable… ¡o tal vez ya lo haya hecho!

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