Modelo estándar 1/2

El Modelo Estandar de la Física de Partículas es la teoría que describe las partículas y las fuerzas fundamentales que explican la constitución del mundo material, con la única excepción de la fuerza de la gravedad, entendiendo por mundo material la parte de materia ordinaria del universo y todo lo que en nuestro mundo de cada día podemos ver y tocar. Tanto la materia ordinaria existente como la historia de su formación desde el Big-Bang, la puede explicar el Modelo Estandar con un total de 17 partículas definidas por su masa, su carga eléctrica y su espín, con personalidad propia, distinto grado de estabilidad y relacionadas entre sí.

El modelo tiene un desarrollo matemático que no está al alcance de todo el mundo, pero se puede explicar y entender bastante bien a nivel divulgativo. Una de estas explicaciones la dio en la Residencia de Estudantes de Madrid el profesor Luca Merlo, colaborador del Instituto de Física Teórica y con su ayuda vamos a  intentar comprender esta interesante teoría desarrollándola en varios articulos.

Es sorprendente que la materia ordinaria, a la que nos vamos a referir, representa solo el 4,9% del universo entero. El 26,8% del resto es materia oscura, y el 68,3% es energía oscura, de las que todavía no se tiene un conocimiento pleno. Las 17 partículas que intervienen en la constitución de esta materia ordinaria se recogen en la  figura 1. Son las siguientes:

Figura 1

Las seis partículas con fondo azul son las denominadas quarks, que tienen seis variedades que se identifican por las letras indicadas, que son las iniciales de up, down, charm, strange, top y bottom

Las seis partículas con fondo blanco reciben el nombre de Leptones. Las de la fila superior son el electrón, el muón y el tauón. Las de la fila de abajo son los tres neutrinos, que se llaman neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico.

A las doce partículas de quarks y leptones se las denomina Fermiones.

En la columna con fondo amarillo figuran los llamados bosones, que son las partículas responsables de las interacciones: la partícula g es el gluón, partícula mediadora de la interacción fuerte, de la que hablaremos enseguida; Ɣ es la partícula mediadora de las interacciones electromagnéticas; y Z y W son las partículas reponsables de la interacción débil, de la que depende la radioactividad.

Finalmente, en solitario en la figura 1, tenemos la partícula H que es el bosón de Higgs, causante de la aparición de la masa en el universo.

Todas estas partículas que hemos mencionado son las partículas fundamentales y de ellas trata el Modelo Estandar.   

Las partículas que componen la materia son los electrones, los quarks u (up) y  los quarks d (down), que son los componentes de los átomos. Cada átomo está formado por un conjunto de elecrones orbitando alrededor de un núcleo, que a su vez está formado por protones y neutrones, que no son parículas simples. Un protón está formado por tres quarkz (u,u,d) que le dan una carga eléctrica total positiva y un neutrón por tres quarks (u,d,d) cuya carga total resuntante es nula. Los quarks que forman los protones y los neutrones están allí atrapados por la fuerza fuerte, de cuya interacción es mediadora la partícula g. Siendo la carga eléctrica de los electrones negativa e igual a la de los protones, el resultado es que los átomos tienen una carga eléctrica resultante nula.

Los electrones que orbitan alrededor del núcleo lo hacen atraídos por la carga positiva de los  protones, que ejercen sobre ellos una fuerza electromágnética mediada por los fotones, que son partículas que no tienen ni masa ni carga eléctrica y se acoplan siempre con partículas que tienen carga.

La tabla siguiente recoge los valores de la masa y de la carga de los componentes del átomo que acabamos de citar.

Las masas estan expresadas en MeV/c², mega electrón voltios partido por la velocidad de la luz al cuadrado. Empleando la fórmula E=mc² de equivalencia entre masa y energía, se calcula fácilmente que 1MeV = 1,78*10^-27g, que es una cantidad pequeñísima. Las cargas eléctricas están expresadas en términos relativos tomando como unidad la carga del electrón.

Los quarks se presentan en la naturaleza con tres variaciones. Estas variaciones se llaman colores y se designan como rojo, verde y azul. En la figura 2 se representa un protón  con sus quarks de diferentes colores enlazados unos a otros por los gluones, representados por los resortes, que los mantienen fuertemente unidos entre sí dando estabilidad a los protones.

Figura 2

Sumando los valores de las masas de los tres quarks del protón se obtiene el valor de 9,6 MeV/c². Sin embargo en la tabla se le ha asignado al protón una masa de 1000 MeV/c², lo cual se debe a los gluones, que aunque no tienen masa tienen un aporte muy grande de energía, y en el Modelo Estandar la equivalencia entre masa y energía siempre está presente. Tenemos, por los tanto, que los gluones no solo son las partículas mediadoras de la fuerza fuerte, sino que también contribuyen a la masa de los protones y los neutrones. Otro efecto de la fuerza fuerte es su participación en la fuerza nuclear, que es la que mantiene unidos los protones y los neutrones en los núcleos de los átomos.

Cortamos aquí esta descripción del Modelo Estándar de Partículas. Continuaremos el próximo 1 de septiembre.

Figura de cabecera: La fuerza nuclear mantiene unidos los protones y los neutrones de los átomos.