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Modelo est�ndar de f�sica de part�culas

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Un �tomo de Helio 4 seg�n el modelo est�ndar, se muestra de color rojo las interacciones electromagn�ticas y de color morado las Fuertes.

El modelo est�ndar de la f�sica de part�culas es una teor�a que describe tres de las cuatro interacciones fundamentales conocidas entre part�culas elementales que componen toda la materia. Es una teor�a cu�ntica de campos desarrollada entre 1970 y 1973 que es consistente con la mec�nica cu�ntica y la relatividad especial. Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el modelo est�ndar est�n de acuerdo con sus predicciones. Sin embargo, el modelo est�ndar no alcanza a ser una teor�a completa de las interacciones fundamentales debido a que no incluye la gravedad, la cuarta interacci�n fundamental conocida, y debido tambi�n al n�mero elevado de par�metros num�ricos (tales como masas y constantes que se juntan) que se deben poner a mano en la teor�a (en vez de derivarse a partir de primeros principios).

[editar] Modelo Est�ndar

Actualmente en f�sica, la din�mica de la materia y de la energ�a en la naturaleza se entiende mejor en t�rminos de cinem�tica e interacciones de part�culas fundamentales. Hasta la fecha, la ciencia ha logrado reducir las leyes que parecen gobernar el comportamiento y la interacci�n de todos los tipos de materia y de energ�a que conocemos, a un conjunto peque�o de leyes y teor�as fundamentales. Una meta importante de la f�sica es encontrar la base com�n que unir�a a todas �stas en una teor�a del todo, en la cual todas las otras leyes que conocemos ser�an casos especiales, y de la cu�l puede derivarse el comportamiento de toda la materia y energ�a (idealmente a partir de primeros principios).

Dentro de esto, el modelo est�ndar agrupa dos teor�as importantes - el modelo electrod�bil y la cromodin�mica cu�ntica - lo que proporciona una teor�a internamente consistente que describe las interacciones entre todas las part�culas observadas experimentalmente. T�cnicamente, la teor�a cu�ntica de campos proporciona el marco matem�tico para el modelo est�ndar. El modelo est�ndar describe cada tipo de part�cula en t�rminos de un campo matem�tico. Para una descripci�n t�cnica de los campos y de sus interacciones, ver el modelo est�ndar (detalles b�sicos).

Para facilitar la descripci�n, el modelo est�ndar se puede dividir en tres partes que son las part�culas de materia, las part�culas mediadoras de las fuerzas, y el bos�n de Higgs.

[editar] Part�culas de materia

Seg�n el modelo est�ndar toda la materia conocida esta constituida de part�culas que tienen una propiedad intr�nseca llamada esp�n cuyo valor es 1/2. En los t�rminos del modelo est�ndar todas las part�culas de materia son fermiones. Por esta raz�n, siguen el principio de exclusi�n de Pauli de acuerdo con el teorema de la estad�stica del spin, y es lo que causa su calidad de materia. Aparte de sus antipart�culas asociadas, el modelo est�ndar explica un total de doce tipos diversos de part�culas de materia. Seis de �stos se clasifican como quarks (up, down, strange, charm, top y bottom), y los otros seis como leptones (electr�n, mu�n, tau, y sus neutrinos correspondientes).

Part�culas fundamentales del Modelo Est�ndar

Familias	Nombre	S�mbolo	Nombre	S�mbolo
	Leptones		Quarks
1^a	electr�n	e	up	u
1^a	neutrino e	n_e	down	d
2^a	mu�n	�	charm	c
2^a	neutrino �	n_�	strange	s
3^a	tau	$?$	top	t
3^a	neutrino $?$	n_$?$	bottom	b

Las part�culas de la materia tambi�n llevan cargas que las hacen susceptibles a las fuerzas fundamentales seg�n lo descrito en la secci�n siguiente.

Cada quark puede llevar tres cargas de color - roja, verde o azul, permiti�ndoles participar en interacciones fuertes.
Los quarks tipo up (up, top o charm) llevan una carga el�ctrica de +2/3, y los tipo down (down, strange y bottom) llevan una carga el�ctrica de -1/3, permitiendo a ambos tipos participar en interacciones electromagn�ticas.
Los leptones no llevan ninguna carga de color - son neutros en este sentido, evit�ndose que participen en interacciones fuertes.
Los leptones tipo down (el electr�n, el muon, y el lepton tau) llevan una carga el�ctrica de -1, permiti�ndoles participar en interacciones electromagn�ticas.
Los leptones tipo up (los neutrinos) no llevan ninguna carga el�ctrica, evit�ndose que participen en interacciones electromagn�ticas.
Los quarks y los leptones llevan varias cargas de sabor, incluyendo el isospin d�bil, permitiendo a todas ellas interaccionar rec�procamente v�a la interacci�n nuclear d�bil.

Pares de cada grupo (un quark tipo up, un quark tipo down, un lepton tipo down y su neutrino correspondiente) forman las familias. Las part�culas correspondientes entre cada familia son id�nticas la una a la otra, a excepci�n de su masa y de una caracter�stica conocida como su sabor.

[editar] Part�culas mediadoras de fuerzas

Las fuerzas en la f�sica son la forma que las part�culas interacciona rec�procamente y se influencian. A nivel macrosc�pico, por ejemplo, la fuerza electromagn�tica permite que las part�culas interaccionen con, y v�a, campos magn�ticos, y la fuerza de la gravitaci�n permite que dos part�culas con masa se atraigan una a otra de acuerdo con la ley de gravitaci�n de Newton. El modelo est�ndar explica tales fuerzas como el resultado del intercambio de otras part�culas por parte de las part�culas de materia, conocidas como part�culas mediadoras de la fuerza. Cuando se intercambia una part�cula mediadora de la fuerza, a nivel macrosc�pico el efecto es equivalente a una fuerza que influencia a las dos, y se dice que la part�cula ha mediado (es decir, ha sido el agente de) esa fuerza. Se cree que las part�culas mediadoras de fuerza son la raz�n por la que existen las fuerzas y las interacciones entre las part�culas observadas en el laboratorio y en el universo.

Las part�culas mediadoras de fuerza descritas por el modelo est�ndar tambi�n tienen spin (al igual que las part�culas de materia), pero en su caso, el valor del spin es 1, significando que todas las part�culas mediadoras de fuerza son bosones. Consecuentemente, no siguen el principio de exclusi�n de Pauli. Los diversos tipos de part�culas mediadoras de fuerza son descritas a continuaci�n.

Los fotones median la fuerza electromagn�tica entre las part�culas el�ctricamente cargadas. El fot�n no tiene masa y est� descrito por la teor�a de la electrodin�mica cu�ntica.

Los bosones de gauge W⁺, W^?, and Z⁰ median las interacciones nucleares d�biles entre las part�culas de diversos sabores (todos los quarks y leptones). Son masivos, con el Z⁰ m�s masivo que el $W^\pm$ . Las interacciones d�biles que implican al $W^\pm$ actuan exclusivamente en part�culas zurdas y no sobre las antipart�culas zurdas. Adem�s, el $W^\pm$ lleva una carga el�ctrica de +1 y -1 y participa en las interacciones electromagn�ticas. El boson el�ctricamente neutro Z⁰ interactua con ambas part�culas y antipart�culas zurdas. Estos tres bosones gauge junto con los fotones se agrupan juntos y median colectivamente las interacciones electrod�biles.

Los ocho gluones median las interacciones nucleares fuertes entre las part�culas cargadas con color (los quarks). Los gluones no tienen masa. La multiplicidad de los gluones se etiqueta por las combinaciones del color y de una carga de anticolor (es decir, Rojo-anti-Verde). Como el gluon tiene una carga efectiva de color, pueden interactuar entre s� mismos. Los gluones y sus interacciones se describen mediante la teor�a de la cromodin�mica cu�ntica.

Las interacciones entre todas las part�culas descritas por el modelo est�ndar se resumen en la ilustraci�n siguiente.

Interacciones descritas por el Modelo Est�ndar junto con los grupos gauge y los bosones asociados a cada una de ellas. En la columna de la izquierda se representan las constantes fundamentales que indican la fuerza relativa de cada interacci�n.

Interacci�n	Grupo gauge	Bos�n	S�mbolo	Fuerza relativa
Electromagn�tica	U(1)	fot�n	g	a_em = 1/137
D�bil	SU(2)	bosones intermedios	W^�, Z⁰	a_weak = 1,02 � 10^-5
Fuerte	SU(3)	gluones (8 tipos)	g	a_s(M_Z) = 0,121

[editar] Bos�n de Higgs

Art�culo principal: Bos�n de Higgs

La part�cula de Higgs es una part�cula elemental escalar masiva hipot�tica predicha por el modelo est�ndar, y la �nica part�cula fundamental predicha por ese modelo que no se ha observado completamente hasta ahora. Esto es en parte porque requiere una cantidad excepcionalmente grande de energ�a para crearla y observarla bajo circunstancias de laboratorio. No tiene ning�n spin intr�nseco, y (como las part�culas mediadoras de fuerza) se clasifica as� como bos�n.

El boson de Higgs desempe�a un papel �nico en el modelo est�ndar, y un papel dominante en explicar los or�genes de la masa de otras part�culas elementales, particularmente la diferencia entre el fot�n sin masa y los bosones pesados W y Z. Las masas de las part�culas elementales, y las diferencias entre el electromagnetismo (causada por el fot�n) y la fuerza d�bil (causada por los bosones W y Z), son cr�ticas en muchos aspectos de la estructura de la materia microsc�pica (y por lo tanto macrosc�pica); as�, si se demuestra que existe, el boson de Higgs tiene un efecto enorme en el mundo alrededor nuestro.

A la fecha de 2007, ning�n experimento ha detectado directamente la existencia del bos�n de Higgs, pero hay una cierta evidencia indirecta de �l. Se espera que la terminaci�n del colisionador de hadrones del CERN traer� la evidencia experimental que confirme su existencia.

[editar] Lista de fermiones del Modelo Est�ndar

Esta tabla se basa en parte de datos tomados por el Grupo de Datos de Part�culas (Quarks).

**Fermiones *zurdos* en el Modelo Est�ndar**
Familia 1
Fermi�n (zurdo)	S�mbolo	Carga el�ctrica	Isospin d�bil	Hipercarga	Carga de Color *	Masa **
Electr�n	$e^-\,$	$-1\,$	$-1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	511 keV
Positr�n	$e^+\,$	$+1\,$	$0\,$	$+1\,$	$\bold{1}\,$	511 keV
Electron-neutrino	$\nu_e\,$	$0\,$	$+1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	< 2 eV
Up quark	$u\,$	$+2/3\,$	$+1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	~ 3 MeV ***
Up antiquark	$\bar{u}\,$	$-2/3\,$	$0\,$	$-2/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	~ 3 MeV ***
Down quark	$d\,$	$-1/3\,$	$-1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	~ 6 MeV ***
Down antiquark	$\bar{d}\,$	$+1/3\,$	$0\,$	$+1/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	~ 6 MeV ***

Familia 2
Fermi�n (zurdo)	S�mbolo	Carga el�ctrica	Isospin d�bil	Hipercarga	Carga de Color *	Masa **
Mu�n	$\mu^-\,$	$-1\,$	$-1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	106 MeV
Antimu�n	$\mu^+\,$	$+1\,$	$0\,$	$+1\,$	$\bold{1}\,$	106 MeV
Muon-neutrino	$\nu_\mu\,$	$0\,$	$+1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	< 2 eV
Quark Charm	$c\,$	$+2/3\,$	$+1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	~ 1.3 GeV
Antiquark Charm	$\bar{c}\,$	$-2/3\,$	$0\,$	$-2/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	~ 1.3 GeV
Quark Strange	$s\,$	$-1/3\,$	$-1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	~ 100 MeV
Antiquark Strange	$\bar{s}\,$	$+1/3\,$	$0\,$	$+1/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	~ 100 MeV

Familia 3
Fermi�n (zurdo)	S�mbolo	Carga el�ctrica	Isospin d�bil	Hipercarga	Carga de Color *	Masa **
tau	$\tau^-\,$	$-1\,$	$-1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	1.78 GeV
Anti-tau	$\tau^+\,$	$+1\,$	$0\,$	$+1\,$	$\bold{1}\,$	1.78 GeV
Tau-neutrino	$\nu_\tau\,$	$0\,$	$+1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	< 2 eV
Top quark	$t\,$	$+2/3\,$	$+1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	171 GeV
Top antiquark	$\bar{t}\,$	$-2/3\,$	$0\,$	$-2/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	171 GeV
Bottom quark	$b\,$	$-1/3\,$	$-1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	~ 4.2 GeV
Bottom antiquark	$\bar{b}\,$	$+1/3\,$	$0\,$	$+1/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	~ 4.2 GeV
Notas: * Estas cargas no se pueden sumar tal cual pues son etiquetas usadas para la representaci�n de grupo de los grupos de Lie. La masa realmente es el acoplamiento entre un fermi�n zurdo con otro fermi�n diestro. Por ejemplo, la masa de un electr�n es realmente el acoplamiento entre un electr�n zurdo con otro electr�n diestro, el cual es la antipart�cula de un positr�n zurdo. Los neutrinos muestran grandes mezclas en su acoplamiento de masas. ***** Las masas de los bariones y los hadrones y varias secciones eficaces son cantidades medidas experimentalmente. Como los quarks no se pueden aislar por el confinamiento QCD, la cantidad dada aqu� se supone la masa del quark en la escala de renormalizaci�n de la escala QCD.

[editar] Pruebas y predicciones

El Modelo Est�ndar predec�a la existencia de los bosones W y Z, el glu�n, y los quarks top y charm antes de que esas part�culas hubiesen sido observadas. Sus propiedades predichas fueron experimentalmente confirmadas con buena precisi�n.

El Large Electron-Positron collider (LEP) en el CERN prob� varias predicciones entre los decaimientos de los bosones Z, y las confirm�.

Para obtener una idea del �xito del Modelo Est�ndar una comparaci�n entre los valores medidos y predecidos de algunas cantidades se muestran en la siguiente tabla:

Cantidad	Medida (GeV)	Predicci�n del SM (GeV)
Masa del bos�n W	80.4120�0.0420	80.3900�0.0180
Masa del bos�n Z	91.1876�0.0021	91.1874�0.0021

[editar] Desaf�os al Modelo Est�ndar

A�n no hay indicaci�n experimental de la existencia del bos�n de Higgs, se espera que pueda ser detectado por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cuando este entre en pleno funcionamiento en 2008 .

Incluso cuando el Modelo Est�ndar ha tenido gran �xito en explicar los resultados experimentales, tiene dos defectos importantes:

El modelo contiene 19 par�metros libres, tales como las masas de las part�culas, que deben ser determinados experimentalmente (adem�s de 10 para las masas de los neutrinos). Esos par�metros no pueden ser calculados independientemente.
El modelo no describe la fuerza gravitatoria.

Desde que se complet� este modelo, se han realizado muchos esfuerzos para solucionar estos problemas.

Aparte de estos, existen algunas razones por las cuales se acredita que el modelo est�ndard est� incompleto. Dentro de �l, la materia y la antimateria son sim�tricas. La preponderacia de la materia en el universo podr�a ser explicada diciendo que el univers� comenz� con otras condiciones iniciales, pero la mayor�a de los f�sicos piensan que esta explicaci�n no es elegante.

Modelo est�ndar de f�sica de part�culas

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Tabla de contenidos

[editar] Modelo Est�ndar

[editar] Part�culas de materia

[editar] Part�culas mediadoras de fuerzas

[editar] Bos�n de Higgs

[editar] Lista de fermiones del Modelo Est�ndar

[editar] Pruebas y predicciones

[editar] Desaf�os al Modelo Est�ndar

[editar] V�ase tambi�n

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