Modelo Estándar de la Física de Partículas

El Modelo Estándar es el marco teórico que describe todas las partículas fundamentales conocidas y las interacciones que actúan entre ellas, con la única excepción de la gravedad.

Según este modelo, toda la materia está compuesta por partículas elementales organizadas en tres familias (o generaciones):

• Quarks: up, down, strange, charm, bottom y top.
• Leptones: el electrón, el muón, el tau y sus tres neutrinos asociados.

Cada partícula posee su correspondiente antipartícula, con números cuánticos opuestos. Esto implica la existencia de seis antiquarks y seis antileptones.

Nota. Los quarks además portan una carga de “color” (rojo, verde o azul). En conjunto, esto da 12 leptones (6 partículas más 6 antipartículas) y 36 quarks (12 quarks y antiquarks × 3 colores).

También existen los bosones gauge, partículas que median las interacciones fundamentales:

• fotón (fuerza electromagnética)
• gluones (fuerza fuerte), de los cuales se han identificado 8
• bosones W⁺, W⁻ y Z (fuerza débil)

Los bosones $ W^+ $, $ W^- $ y $ Z^0 $ fueron predichos en los años sesenta por Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg como parte de la teoría electrodébil, que unifica el electromagnetismo con la interacción débil. 

Su existencia fue confirmada en 1983 en el CERN, en Ginebra, un descubrimiento que otorgó a Carlo Rubbia y Simon van der Meer el Premio Nobel de Física en 1984.

En 2012 se verificó de manera concluyente la existencia del bosón de Higgs, responsable de explicar por qué muchas partículas fundamentales poseen masa.

Nota. En total, el Modelo Estándar incluye 61 partículas elementales: 48 fermiones (36 quarks y 12 leptones, considerando partículas y antipartículas) y 13 bosones mediadores (el fotón, tres bosones débiles W⁺, W⁻, Z, ocho gluones y el bosón de Higgs).

¿Cuándo se consolidó el Modelo Estándar?

La expresión “Modelo Estándar” empezó a utilizarse en la década de 1970, cuando la física de partículas alcanzó una formulación coherente y casi completa.

En esos años, gracias a los aportes de Murray Gell-Mann y otros investigadores, se completó el modelo de quarks y se desarrolló la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que describe la interacción fuerte mediante el intercambio de gluones.

Con el tiempo, los experimentos confirmaron una a una sus predicciones, consolidándolo como la piedra angular de la física de partículas moderna.

Los límites del Modelo Estándar

Hoy por hoy, el Modelo Estándar es la teoría más exhaustivamente comprobada de toda la física. 

Sin embargo, no es definitiva. Solo unifica tres de las cuatro fuerzas fundamentales del universo:

• la fuerza electromagnética, mediada por el fotón
• la fuerza débil, mediada por los bosones W y Z
• la fuerza fuerte, mediada por los gluones

La cuarta fuerza, la gravedad, permanece fuera de este esquema. Aún no se ha formulado una teoría cuántica consistente de la gravedad.

De hecho, el Modelo Estándar es incompatible con la relatividad general de Einstein, que describe la gravedad a escala cósmica.

Tampoco resuelve algunos de los enigmas más profundos: no da cuenta de la materia oscura ni de la energía oscura, y no explica por qué existen exactamente tres familias de partículas.

Por ello, los físicos suelen hablar de la necesidad de una “teoría más allá del Modelo Estándar”, aún por descubrir.

Nota. Uno de los grandes objetivos de la física teórica contemporánea es encontrar un marco más amplio -una Teoría del Todo (ToE)- que unifique el Modelo Estándar con la relatividad y brinde una visión coherente del universo a todas las escalas.

La búsqueda continúa.