Ngtjyty

Model estàndard de les partícules elementals, amb les tres generacions de partícules de matèria, els bosons de gauge i el bosó de Higgs.

El model estàndard de física de partícules és una teoria que descriu les partícules elementals i les seves interaccions fonamentals electromagnètica, feble i forta.

El model estàndard és una teoria quàntica de camps i va ser desenvolupat entre 1970 i 1973. Des d'aleshores, totes les dades experimentals mesurades (a excepció de les últimes dades procedents de la física de neutrins que evidencien que els neutrins tenen massa) coincideixen amb les prediccions del model estàndard amb una precisió de l'ordre del 0,1%. Tanmateix, el fet que el model no inclou la descripció de la interacció gravitatòria, posa de manifest que el model estàndard no és una teoria completa de les interaccions fonamentals i, per tant, ha de ser estès.

Orígens del model

El físic nord-americà Gell-Mann a principis dels 1960 va descobrir que existia una correspondència entre algunes de les propietats de cert grup de partícules elementals i un element matemàtic anomenat grup de Lie SU(3). Aquest element matemàtic permetia descriure els patrons en què s'organitzaven algunes de les propietats de les partícules elementals com, per exemple, la massa o la càrrega.^[1] La classificació de les partícules elementals segons el grup de Lie SU(3), predeia que existia una partícula (Ω-) encara no descoberta. L'any 1964 es va observar aquesta partícula,^[2] la qual cosa donava un decisiu suport al model proposat per Gell-Mann. En els anys següents, la utilització del grups de Lie per descriure les partícules elementals va permetre de desenvolupar el model estàndard de la física de les partícules. Aquest arribà a incloure totes les partícules de matèria conegudes (quarks i leptons) així com les partícules portadores (bosons) de tres de les forces fonamentals: la força nuclear forta, la feble i l'electromagnetisme, gràcies a la incorporació de la simetria de gauge als grups

Les partícules elementals

Els constituents bàsics del model estàndard s'anomenen partícules elementals i es poden classificar en dos grups: les partícules de matèria i les partícules transmissores de les interaccions.

Les partícules de matèria

Les partícules elementals de matèria estan formades per fermions d'espín 1/2 (a excepció del bosó de Higgs, que és un bosó amb espín 0) i poden classificar-se en dos grups: els leptons i els quarks. Hi ha, per una banda, els leptons carregats (amb càrrega elèctrica igual a -1) -l'electró, el muó i el tauó (denotats per e−,μ−,τ−{displaystyle e^{-},,mu ^{-},,tau ^{-}}, respectivament)- i per altra banda, els corresponents leptons neutres (amb càrrega elèctrica nul·la), més coneguts com a neutrins: el neutrí electrònic, el neutrí muònic i el neutrí tauònic (denotats per νe,νμ,ντ{displaystyle nu _{e},,nu _{mu },,nu _{tau }}, respectivament). Els quarks tenen 6 sabors diferents: els quarks amunt, encant i cim (amb càrrega elèctrica igual a 2/3 i denotats per u,c,t{displaystyle u,,c,,t}, respectivament, per les paraules en anglés up, charm i top) i i els quarks avall, estrany i fons (amb càrrega elèctrica igual a -1/3 i denotats per d,s,b{displaystyle d,,s,,b}, respectivament, per les paraules angleses down, strange i bottom).

Els quarks, a banda del sabor, tenen un nombre quàntic addicional, el color, que té tres possibles valors: roig, verd i blau. Aquesta propietat física, el color, no ha estat mai vista a la natura i l'explicació (coneguda com la hipòtesi de confinament de color) és que els quarks no poden ser observats com a estats lliures, sinó que es troben confinats en les partícules observades experimentalment sense color: els hadrons. Els hadrons són partícules compostes (no elementals), sense color (a diferència dels quarks) i poden ser classificats en barions i mesons. Els barions són fermions compostos per tres quarks, la composició de color dels quals origina un estat sense color: roig + verd + blau. Alguns exemples de barions són el protó, format pels quarks uud{displaystyle uud}, o el neutró, format per udd{displaystyle udd}. Els mesons són bosons compostos per un quark i un antiquark, la composició de color dels quals origina un estat sense color, com per exemple: roig + antiroig, verd + antiverd o blau + antiblau. Alguns exemples de mesons són el pió π+{displaystyle pi ^{+}}, conformat pels quarks ud¯{displaystyle u{bar {d}}} o el kaó K0{displaystyle K^{0}}, format per ds¯{displaystyle d{bar {s}}}.

Partícules transmissores de les interaccions

El model estàndard descriu tres interaccions fonamentals, de les quatre conegudes: la interacció electromagnètica, la interacció feble i la interacció forta (la interacció gravitatòria no ha estat fins a la data satisfactòriament descrita en el marc d'una teoria quàntica de camps). Les interaccions actuen per mitjà de partícules transmissores, que s'anomenen genèricament bosons de gauge i tenen espín igual a 1: la interacció electromagnètica és transmesa pel fotó (que es denota per γ{displaystyle gamma }); la interacció feble la transmeten els tres bosons febles W+,W−,Z0{displaystyle W^{+},,W^{-},,Z^{0}}; i la interacció forta és mitjançada pels huit gluons (denotats per gα,α=1,…,8{displaystyle g_{alpha },,alpha =1,ldots ,8}). El model estàndard unifica les interaccions electromagnètica i feble a altes energies (dit d'una altra manera, a distàncies inferiors al diàmetre del protó), en l'anomenada interacció electrofeble.

Validesa del model estàndard

Un dels majors èxits del model estàndard és que determina l'estructura detallada de les equacions que descriuen les forces, no de manera ad hoc, que només volgués explicar les dades empíriques, sinó també per mitjà de principis generals continguts a la mateixa teoria. Així per l'electromagnetisme, per posar un exemple, la validesa de la teoria de camps quàntics, basada en la teoria de la relativitat especial, i en la que es basa el model estàndard, i l'existència de l'electró, implica que ha d'existir el fotó, i interaccionar tal com ho fa: d'aquesta manera comprenem per fi la llum. Arguments similars predigueren l'existència, i propietats, confirmades més tard, dels gluons, i dels bosons de la força dèbil.

A més de les partícules esmentades el model estàndard prediu l'existència del bosó de Higgs, encara no detectat directament als experiments. Aquesta partícula interaccionaria amb les altres per produir la massa.

Sembla que el model estàndard no pot ser superat per un model on el quarks, i els electrons, estiguessen composts de partícules més fonamentals. Si bé no s'han sondejat els experiments amb major profunditat, fins ara no s'han trobat rastres d'elements addicionals. A més el model estàndard no tindria sentit si els electrons i els quarks no són fonamentals. Les forces tenen tendència a unificar-se a altes energies. Si la supersimetria és real, els electrons, i els quarks, no es poden compondre d'altres partícules, perquè la teoria de camps quàntics relativistes suposa que són puntuals, sense estructura. Potser haurien de ser considerats petites cordes, o membranes, (teoria de cordes), però seguirien tenint les propietats concedides pel model estàndard a baixes energies.

Taula resum

Fermions (levogirs) en el Model Estàndard

Fermió	Símbol	Càrrega elèctrica	Càrrega dèbil*	Isoespín feble	Hipercàrrega feble	Hipercàrrega	Càrrega de color*	Massa
1a generació
Electró	e{displaystyle e}	-1	2{displaystyle mathbf {2} }	-1/2	-1	-1/2	1{displaystyle mathbf {1} }	0,511 MeV
Neutrí electrònic	νe{displaystyle nu _{e}}	0	2{displaystyle mathbf {2} }	+1/2	-1	-1/2	1{displaystyle mathbf {1} }	< 50 eV
Positró	ec{displaystyle e^{c}}	1	1{displaystyle mathbf {1} }	0	-1	1	1{displaystyle mathbf {1} }	0,511 MeV
Antineutrí electrònic	νec{displaystyle nu _{e}^{c}}	0	1{displaystyle mathbf {1} }	0	-1	0	1{displaystyle mathbf {1} }	< 50 eV
Quark Up	u{displaystyle u}	+2/3	2{displaystyle mathbf {2} }	+1/2	+1/3	+1/6	3{displaystyle mathbf {3} }	~5 MeV
Quark Down	d{displaystyle d}	-1/3	2{displaystyle mathbf {2} }	-1/2	+1/3	+1/6	3{displaystyle mathbf {3} }	~10 MeV
Antiquark anti-up	uc{displaystyle u^{c}}	-2/3	1{displaystyle mathbf {1} }	0	+1/3	-2/3	3¯{displaystyle mathbf {bar {3}} }	~5 MeV
Antiquark anti-down	dc{displaystyle d^{c}}	+1/3	1{displaystyle mathbf {1} }	0	+1/3	+1/3	3¯{displaystyle mathbf {bar {3}} }	~10 MeV
2a generació
Muó	μ{displaystyle mu }	-1	2{displaystyle mathbf {2} }	-1/2	-1	-1/2	1{displaystyle mathbf {1} }	105,6 MeV
Neutrí muònic	νμ{displaystyle nu _{mu }}	0	2{displaystyle mathbf {2} }	+1/2	-1	-1/2	1{displaystyle mathbf {1} }	< 0,5 MeV
Antimuó	μc{displaystyle mu ^{c}}	1	1{displaystyle mathbf {1} }	0	-1	1	1{displaystyle mathbf {1} }	105,6 MeV
Antineutrí muònic	νμc{displaystyle nu _{mu }^{c}}	0	1{displaystyle mathbf {1} }	0	-1	0	1{displaystyle mathbf {1} }	< 0,5 MeV
Quark Charm	c{displaystyle c}	+2/3	2{displaystyle mathbf {2} }	+1/2	+1/3	+1/6	3{displaystyle mathbf {3} }	~1,5 GeV
Quark Strange	s{displaystyle s}	-1/3	2{displaystyle mathbf {2} }	-1/2	+1/3	+1/6	3{displaystyle mathbf {3} }	~100 MeV
Antiquark anti-charm	cc{displaystyle c^{c}}	-2/3	1{displaystyle mathbf {1} }	0	+1/3	-2/3	3¯{displaystyle mathbf {bar {3}} }	~1,5 GeV
Antiquark anti-strange	sc{displaystyle s^{c}}	+1/3	1{displaystyle mathbf {1} }	0	+1/3	+1/3	3¯{displaystyle mathbf {bar {3}} }	~100 MeV
3a generació
Tauó	τ{displaystyle tau }	-1	2{displaystyle mathbf {2} }	-1/2	-1	-1/2	1{displaystyle mathbf {1} }	1,784 GeV
Neutrí tauònic	ντ{displaystyle nu _{tau }}	0	2{displaystyle mathbf {2} }	+1/2	-1	-1/2	1{displaystyle mathbf {1} }	< 70 MeV
Antitauó	τc{displaystyle tau ^{c}}	1	1{displaystyle mathbf {1} }	0	-1	1	1{displaystyle mathbf {1} }	1,784 GeV
Antineutrí tauònic	ντc{displaystyle nu _{tau }^{c}}	0	1{displaystyle mathbf {1} }	0	-1	0	1{displaystyle mathbf {1} }	< 70 MeV
Quark Top	t{displaystyle t}	+2/3	2{displaystyle mathbf {2} }	+1/2	+1/3	+1/6	3{displaystyle mathbf {3} }	173 GeV
Quark Bottom	b{displaystyle b}	-1/3	2{displaystyle mathbf {2} }	-1/2	+1/3	+1/6	3{displaystyle mathbf {3} }	~4,7 GeV
Antiquark anti-top	tc{displaystyle t^{c}}	-2/3	1{displaystyle mathbf {1} }	0	+1/3	-2/3	3¯{displaystyle mathbf {bar {3}} }	173 GeV
Antiquark anti-bottom	bc{displaystyle b^{c}}	+1/3	1{displaystyle mathbf {1} }	0	+1/3	+1/3	3¯{displaystyle mathbf {bar {3}} }	~4,7 GeV
* - No són les càrregues ordinàries (abelianes), que es poden sumar, sinó les etiquetes de les representacions dels grups de Lie corresponents.

Bibliografia

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Model estàndard de física de partícules

• Web sobre el model estàndard