Hasta el modelo estándar y más allá… (parte I)


Podemos afirmar sin género de dudas que el modelo estándar de la física de partículas es una de las teorías que mejor acuerdo con los datos experimentales tenemos a nuestra disposición.

El caso es que actualmente y con los nuevos experimentos en marcha en física de partículas estamos en disposición de mirar más allá del modelo estándar.

En esta ocasión no vamos a explicar nada. Lo que encontraremos aquí, y en una próxima entrada, es una lista de preguntas cuyas respuestas no pueden estar en el modelo estándar. Es decir, estamos explorando los límites de nuestro conocimiento respecto a la física de partículas.

El modelo estándar

En el modelo estándar tenemos la descripción de la materia en términos de tres familias de leptones (que son las partículas de espín semientero que no sienten las interacción fuerte), los quarks (que son las partículas de espín semientero que sienten la interacción fuerte además de la débil y la electromagnética). Y partículas de espín entero, bosones, que transmiten las interacciones entre estas partículas.

El modelo estándar nos permite describir las interacciones, entender el comportamiento de estas partículas y cómo se relacionan entre si.

Además, tenemos otro campo, el Higgs, de espín 0 que sería el hipotético responsable de dotar de masa a las partículas del modelo estándar.

Tanto en este blog como en muchos otros hemos hablado de este modelo y del Higgs en alguna que otra ocasión (podéis usar la búsqueda).  Así que ahora es el momento de establecer qué preguntas pueden surgir más allá del modelo estándar, algunas de las cuales también hemos tocado aquí en algún momento.

Los problemas que el modelo no puede resolver

A pesar de su extraordinaria efectividad a la hora de predecir magnitudes que luego comprobamos experimentalmente, el modelo estándar tiene algunas lagunas.  Dichos problemas vienen directamente ligados a la estructura del modelo y las preguntas asociadas no se pueden resolver dentro del mismo.

Lo que nos proponemos es enumerar, nada más que eso, cuáles son dichos problemas. Seguramente nos olvidaremos de muchos pero al menos intentaremos mostrar cómo está el estado actual de la investigación en física de partículas.  Daremos referencias a entradas previas de este blog donde hemos tratado estos temas con mayor o menor profundidad, pero también os recomendamos que si estáis interesados busquéis por los blogs de física que hay en la red.

Los neutrinos tienen masa

Actualmente sabemos que los neutrinos tienen masa. Esto lo sabemos por la capacidad que tiene un neutrino de una clase (asociada con el electrón, muón o tauón) en convertirse en un neutrino de otra clase. Este proceso, conocido como oscilaciones de neutrinos, no podría existir si los neutrinos tuvieran una diferencia de masa nula entre ellos. Para más detalles: A los neutrinos les gustan los balancines.

Sin embargo, el modelo estándar nos dice que los neutrinos tendrían que ser partículas sin masa. Una explicación al por qué no tienen masa nula requiere física más allá del modelo.

El Higgs es ligero

Esperamos ver el Higgs en el LHC. De verse significará que el Higgs tiene una masa muy por debajo de la masa de Planck. Esto supone un problema porque el modelo estándar nos dice que la masa del Higgs tiene que ser parecida a la masa de Planck.  Este problema, el problema de la jerarquía, necesita de física más allá del modelo estándar para ser explicada. Los modelo actuales que explican esto se basan o bien en la presencia de partículas supersimétricas o bien en la existencia de un número de dimensiones del espaciotiempo mayores que cuatro. Las entradas relacionadas con el problema de la jerarquía se pueden encontrar pulsando AQUÍ.

Este problema es muy importante porque pudiera ser que se necesitara incorporar ideas gravitatorias a su explicación. El modelo estándar directamente ignora la gravedad.

Sólo hay tres familias

Si nos fijamos en las tablas de partículas del modelo estándar, la de leptones y quarks, vemos como estos se disponen en tres familias. La razón por la que sólo hay tres familias y no más es desconocida. Sin embargo, experimentalmente sabemos que sólo hay tres (al menos en las escalas de energías sondeadas).

Resulta que hay magnitudes del modelo estándar que dependen del número de familias. Un ejemplo es la masa del bosón débil Z. La probabilidad con la que este bosón interactúa con otras partículas está relacionada con el número de familias y se puede ver en la siguiente gráfica como los datos experimentales para esta probabilidad de interacción caen todos sobre la línea predicha asumiendo que sólo existen tres familias de partículas fundamentales.

Conocer por qué hay sólo tres familias es física que necesita ingredientes que no encontramos en el modelo estándar.

Materia oscura

Sabemos que hay características astrofísicas en el movimiento de las galaxias, aparte de otras pruebas, que parecen indicar que hay más masa en las mismas de las que podemos “ver”.  Esta masa se supone debida a la materia oscura.

La materia oscura es una materia que interaccionaría muy débilmente con las partículas conocidas (las del modelo estándar) y no lo haría electromagnéticamente (de ahí el nombre de oscura).  El modelo estándar no tiene explicación para esta nueva forma de partículas. Para más información al respecto:

Arrojando luz sobre la materia oscura I

Arrojando luz sobre la materia oscura II

Cuestión de cargas

Desde el colegio se nos dice que el electrón tiene la misma carga que el protón cambiada de signo. Un electrón es una partícula fundamental y el protón es una partícula que está compuesta por tres quarks (quarks de valencia).  El modelo estándar no proporciona ninguna razón para que esto tenga que ser así.

Podemos decir que esta coincidencia de los valores de la carga fundamental es inquietante y que necesitamos otra física nueva para poder explicarla.

Aún quedan otros problema que presentar sobre el modelo estándar y sus límites. La cuestión claramente es que nos queda mucho por conocer y que hay trabajo para muchos años. Lo mismo eres tú uno de los que resolverán alguno de estos problemas 😉

Nos seguimos leyendo…

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8 Respuestas a “Hasta el modelo estándar y más allá… (parte I)

  1. Pingback: Guía sobre partículas, modelo estándar y Higgs | Cuentos Cuánticos

  2. oscarrobertoernst

    Apruebo totalmente su comentario sobre las cargas:
    “El modelo estándar no proporciona ninguna razón para que esto tenga que ser así.
    Podemos decir que esta coincidencia de los valores de la carga fundamental es inquietante y que necesitamos otra física nueva para poder explicarla.”

    El problema surge no en las cargas sino en la misma concepción de onda electromagnética como sinónimo de fotón.

    La idea de “onda electromagnética”, es una idea de “electricista”, que parte de la idea de Maxwell al entender la luz, como una onda en un medio, al igual que las olitas en un estanque, partiendo de la idea de que las ondas de radio se basaban en el principio de los transformadores, los fotones nada tienen que ver con transformadores, no se trata de que en la medida que nos alejamos, el campo (eléctrico y magnético) disminuye, en los fotones, las ondas NO son más pequeñas como en un estanque, sino menos fotones, y estos fotones con suficiente energía, se descomponen en dos partículas (creación de pares), nada hay de diferente en la creación de un electrón-positrón a un protón-antiprotón, a excepción de la energía y la masa resultante.
    En conclusión, los fotones no son ondas electromagnéticas, sino ondas-espacio (porque indudablemente son ondas), su cualidad eléctrica, magnética, y gravitacional, es propio de todas las partículas (fotones, electrones, protones) (partículas reales, no las hipotéticas). Y son fácilmente explicables.

  3. Pingback: Hasta el modelo estándar y más allá… (parte II) | Cuentos Cuánticos

  4. Esta primera parte es bastante diáfana en el sentido de que explica, de manera clara y rotunda, una buena parte de lo que el Modelo estándar es y, posiblemente, ha llegado el momento de que dejemos de aferrarnos a ideas que llevan ya, mucho, mucho tiempo asentadas en nuestras creencias de lo que la física es. Está claro que el Modelo, aunque ha sido y sigue siendo una muy buena herramienta, necesita de algunos cambios para que, de una vez por todas, se ajuste más a lo que la Naturleza es.

    Aquí, en este primera entrada han sido señalados algunos de los enigmas que están por resolver y también algunas de las carencias del Modelo, y, además (en la segunda parte se hablará d ello), están presentes una serie de parámetros aleatorios de cuya explicación nadie ha dado una razón cierta, son ajustes que han sido realizados para que las cuentas cuadren pero que, no tienen mucha razón de ser.

    El principal problema del Modelo (creo), es el de la ausencia de la Gravedad, está incompleta al no describir el mundo en su totalidad y, desde luego, el límite que lo tiene atado es el de las unidades de Planck que suponen un horizonte que nadie ha podido sobrepasar (hasta el momento actual) y que marca la linea que no podemos traspasar.

    Buena entrada.

  5. Estoy muy perdido, estos post son muy interesantes pero no entiendo nada, algún post sobre cada partícula, como se detecta, (reconocemos físicamente que existe), para empezar a entender algo más.

  6. No existe una “teoría estándar”, primeramente no es una explicación, sino que parte de “in-explicaciones”; inexplicables fuerzas fundamentales, y toda suerte de fantasías hipotéticas; teoría, es la explicación de un fenómeno físico (no, la no explicación). Por otro lado nadie sabe que integra o no, lo que se denomina con ese nombre, es como poner en una bolsa todo lo que me sirve, y depende de quien lleve la bolsa será el contenido.

    La idea de que concuerde alguna cosa, no muestra en lo más mínimo que una explicación es verdadera, El modelo de Ptolomeo, explicaba los fenómenos astronómicos (aunque complicado), pero eso no hace del geocentrismo una explicación del universo.
    Seguramente censurarás este contenido, aunque se tape la verdad, no significa que el error se transforme en verdad.

  7. “Actualmente sabemos que los neutrinos tienen masa. Esto lo sabemos por la capacidad que tiene un neutrino de una clase (asociada con el electrón, muón o tauón) en convertirse en un neutrino de otra clase. Este proceso, conocido como oscilaciones de neutrinos, no podría existir si los neutrinos tuvieran una diferencia de masa nula entre ellos. Para más detalles: A los neutrinos les gustan los balancines.”

    1-Se pierden neutrinos entre una fuente y un detector. El sol y el GranerrorSasso. Un cuerpo estelar e Icecube. CERN y OPERA,… T2K, MINOS.
    2-Se pierden neutrinos entre dos detectores en línea muy próximos. Neutrinos que llegan al primer detector desde un reactor nuclear. Daya Bay, RENO,…

    Voy a volver a revisar todo eso una vez más. Es que de tanto repetirse esto, yo creo que debo estar equivocado. Lo que yo tenía entendido, es que lo que estaba demostrado experimentalmente, es que no llegan todos los neutrinos que se suponen que salen de la fuente; ya eso tuvo su Nobel. Seria bueno que la comunidad científica emitiera una nota aclarándole esto a los medios y la sociedad. Nadie ha podido probar que esa perdida sea porque oscilan. Por lo que nadie ha podido probar que tienen masa. Sino, esa teoría tuviera su correspondiente Nobel (teórico). Que esa idea se asuma como oficial, es solo una preferencia formativa con la que simpatizan los quánticos… Pero la física es una ciencia natural, que no funcionan por decretos desde el poder; por suerte ahí los humanos no podemos legislar. A Dios lo que es de Dios y al Cesar lo que es del Cesar. Para la naturaleza es inerte si el que la investiga y descubre sus leyes, es un científico honesto, un acecino que construye armas atómica, un iluminado, un pobre diablo o un analfabeto.
    Mi criterio es que en menos de 50 anos no existirá ningún detector que pueda medir simultanéamele, los que pasan del mismo tipo de los que salieron y los que de esa misma camada, han oscilado. De no ocurrírsele a un físico, un ingenioso experimento que pueda concluir eso mismo de otra forma; creo que siempre existirán dudas por la cantidad de variables sueltas que hay en esos trayectos intermedios. (Yo tengo una idea para quitarnos esas variables entre fuente-detector o detector-detector; pero eso aquí es irrelevante) Así que la academia va a dilatar ese Nobel, hasta que no halla una claridad fuera de toda duda. Y además, por tratarse de neutrinos, algo de lo que ningún físico, ni modelo puede presumir que conoce. La gravedad y los neutrinos, son los dos hechos experimentales que rigen como asignaturas pendientes para los teóricos. Son la quintaesencia real, para los teóricos o para cualquier físico amante de modelar la naturaleza experimental; algo palpable para los laboratorios humanos. Algo que no se busca como el Higgs, la materia oscura y demás delincuentes. La gravedad, nadie duda de que fusiona a lo Newton, no todos están conformes con la curvatura espaciotemporal de Einstein y nadie sabe que pasa con los datos experimentales de las velocidades de rotación de las galaxias. Si porque la materia oscura por atractiva y popular, le esconde al lego, que es lo anormal que se mide, que es lo que no concuerda. Nadie puede olvidan de que en la ciencia hay que dudar de todo, hasta que alguien no demuestre lo contrario. En su historia, ejemplos sobran. Y nadie puede ni siquiera asegurar, que los métodos experimentales sean los mejores. Hasta de eso hay que dudar para encontrar el problema. Hay que dudar hasta del mensajero que trae la información desde esas remotas rotaciones y expansiones anómalas. Así que crisis teórica hay. Además, es una gran ignorancia las dos cosas que se dicen:
    1-Que si aparece el Higgs, muchas cosas van a cambiar.
    2-Que si no aparece el Higgs, muchas cosas van a cambiar.
    Para mí, con Higgs o sin Higgs, los problemas medulares de las físicas siguen ahí, sin solución. Ya lo verán, cuando se cave la luna de miel; para cualquiera de los dos partidos que triunfe.
    Muy importante su exposición, esto también es física; aunque muchos se sonrojen.

    http://francisthemulenews.wordpress.com/2012/03/08/el-tercer-parametro-de-los-cuatro-de-la-teoria-de-la-oscilacion-de-los-neutrinos-medido-con-52-sigmas/
    http://francisthemulenews.wordpress.com/2012/04/06/el-experimento-reno-confirma-el-anuncio-de-daya-bay-para-los-neutrinos-pero-con-antineutrinos/

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