Unificación II: El Modelo Estándar

Imágen 1: Glashow, Salam y Weinberg en la entrega Premio Nobel de 1979

Como ya hemos contado en este blog, en la actualidad nos son conocidas cuatro interacciones fundamentales: la gravitación, el electromagnetismo, la interacción nuclear débil y la interacción nuclear fuerte. A escalas cosmológicas, la primera de ellas viene descrita por la teoría de la relatividad general de Einstein. Las tres restantes se enmarcan en una teoría que, desde los años 70, se conoce como el Modelo Estándar de la física de partículas o, simplemente, Modelo Estándar. Es esta ultima teoría la que rige los procesos sub-atómicos.

Una de las enseñanzas de la relatividad general es que cualquier cuerpo o partícula dotado de energía, con independencia de que tenga masa o no, genera atracción gravitatoria. La interacción electromagnética, sin embargo, solo son capaces de sentirla las partículas dotadas de cierta propiedad: tener carga eléctrica. Masa, energía y carga eléctrica nos son conceptos cotidianos. En particular, todos recordamos aquello de que cargas eléctricas opuestas se atraen, e idénticas se repelen. También existen partículas desposeídas de carga eléctrica, completamente invisibles, pues, a la interacción electromagnética. A las partículas que sienten la interacción electromagnética las llamamos cargadas, y a las que no lo hacen, neutras.

Las interacciones débiles y fuertes son, en ese sentido, similares al electromagnetismo: hay partículas que sienten esas interacciones y otras que no lo hacen. A las partículas que sienten las interacciones débiles (y en algunos casos, también la electromagnética), se les denomina leptones. Las partículas “cargadas” respecto de la interacción fuerte se llaman hadrones.

La gravitación es la única interacción verdaderamente universal. Lo es no solo en el sentido restringido de ser la fuerza que gobierna el universo a gran escala. La gravitación es universal porque todo en este mundo está sometido a ella, a diferencia de las otras tres interacciones fundamentales, que solo actúan sobre ciertas partículas.

Ahora bien, ser universal no quiere decir que necesariamente lleve la voz cantante: la intensidad de unas interacciones respecto de otras es lo que realmente domina los procesos físicos a una escala dada. Por ejemplo, a escalas cosmológicas, la gravitación domina sobre el resto de interacciones. Pero a escalas sub-atómicas, la intensidad de la gravitación es mínima comparada con la de las tres interacciones del Modelo Estándar. Los efectos gravitatorios en la física de partículas elementales son completamente irrelevantes.

Es por esta razón que el Modelo Estándar, aunque excluya la gravitación, es una teoría perfectamente consistente en sí misma. No solo eso: se suele decir que, junto con la relatividad general, el Modelo Estándar es la construcción científica, verificada experimentalmente, más sofisticada y precisa que el ser humano ha logrado hasta ahora. He añadido la cualificación acerca de la verificación experimental para diferenciar el Modelo Estándar de otras teorías, como la teoría de cuerdas, que muestran incluso mayor sofisticación pero no gozan de marchamo experimental. Al menos hasta la fecha.

El Modelo Estándar consta de tres componentes íntimamente relacionados. El primero agrupa las partículas elementales de las que venimos hablando de manera informal. El segundo componente engloba las tres interacciones fundamentales que también hemos señalado. Y el tercer componente es el llamado bosón de Higgs, recientemente descubierto en CERN, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas. Describamos pues en detalle cada uno de estos sectores.

La coletilla de elemental hace referencia a que las partículas en cuestión no tienen estructura interna: la teoría realmente las representa como puntos en el espacio-tiempo. Este criterio solo lo han resistido algunas de las partículas que se conocen desde hace mucho tiempo y otras desde hace no tanto. A medida que avanzaban las investigaciones sobre la estructura de la materia a escalas mas pequeñas, algunas partículas que se pensaban elementales han dejado de serlo, con la definición dada arriba. Por ejemplo, hace cien años se descubrió que el átomo estaba formado por electrones que, en cierto modo, orbitaban alrededor de un núcleo. Si bien el electrón se ha mostrado elemental hasta nuestros días, así no lo ha hecho el núcleo. Efectivamente, posteriormente se descubrió que este estaba formado por protones y neutrones, colectivamente llamados nucleones por ser estos los componentes del núcleo atómico. Incluso los nucleones han caído hoy en día del pedestal de la elementariedad: en la actualidad sabemos que están a su vez formados por otros componentes llamados quarks. De estos sí se piensa que son elementales, pero con semejantes antecedentes es difícil poner la mano en el fuego.

La elementariedad de muchas otras partículas, no solo la de los nucleones, ha sido redefinida con el tiempo. Hacia mediados del siglo XX, tecnología cada vez más desarrollada permitía descubrir muchas partículas nuevas. Tantas había que se hacía necesario unos principios básicos que pusieran orden y permitieran una clasificación de los resultados. Es decir, se hizo necesario el equivalente de lo que en química en el siglo anterior había supuesto el descubrimiento de la tabla periódica de los elementos.

Imagen 2: Modelo Estándar

El Modelo Estándar supone esa clasificación (Imagen 2). Hay dos tipos de partículas elementales en el Modelo Estándar: leptones y quarks. Hay seis leptones: el electrón que ya hemos mencionado, el muón y el tau, ambos versiones masivas e inestables del electrón; a su vez, estas tres partículas vienen acompañadas de otras tres llamadas neutrinos. Seis, pues, en total. Como ya hemos señalado arriba, los leptones sienten la interacción débil y algunos de ellos, los leptones cargados, también la electromagnética. El electrón, muón y tau son cargados, mientas que los neutrinos, como su nombre indica, son neutros.

Los quarks, por otro lado, son los componentes fundamentales de los hadrones, es decir, las piezas básicas de las que se componen las partículas compuestas, como los nucleones, que sienten las interacción nuclear fuerte. Hay también seis tipos de quark: up, down, charm, strange, top y bottom. El hecho de que haya seis leptones y seis quarks permite a su vez agrupar estas partículas en tres familias, compuestas de dos quarks y dos leptones. Por ejemplo, la familia de menor masa se compone de electrón, el correspondiente neutrino, y los quarks up y down. En la imagen 2, los quarks aparecen en violeta y los leptones en verde.

Pasemos a describir las tres interacciones del Modelo Estándar. Como teoría cuántica que es, las partículas del Modelo Estándar interaccionan intercambiando cuantos, es decir, paquetes de energía del tipo correspondiente a la interacción en cuestión. Por ejemplo, el cuanto del campo electromagnético es el fotón, la partícula que originó la revolución cuántica de Planck. Un electrón cargado negativamente y un (anti)muon cargado positivamente, se atraen mediante el intercambio de fotones. La situación es parecida a la de un partido de tenis, en el que ambos tenistas interaccionan y se mueven siguiendo un intercambio de la pelota. La interacción débil posee tres cuantos, llamados Z, W⁺ y W^-. Sus propiedades físicas son muy parecidas a las del fotón. Por esa razón, a la interacción electromagnética y la interacción débil se las conoce conjuntamente como interacción electro-débil. Finalmente, el cuanto de la interacción fuerte se conoce como gluón. En la imagen 2, estos cuantos aparecen en rojo.

Los cuantos de las interacciones del Modelo Estándar también se conocen como bosones de gauge, y así se los nombra en la imagen adjunta. El término hace referencia a que el Modelo Estándar es una teoría llamada de gauge. Este término se puede traducir como de calibración, y hace referencia a que la teoría es simétrica, es decir, invariante cuando ciertas operaciones se realizan en su formulación matemática en cada punto del espacio separadamente. Estas operaciones tienen una estructura matemática conocida como grupo. 
Para concluir los comentarios sobre interacciones, añadamos que hay ciertas teorías, llamadas de gran unificación, que postulan que el Modelo Estándar debería estar regido por grupos de simetría mayores que el que actualmente se conoce. El nombre de gran unificación viene en la línea de lo que discutíamos aquí: estas teorías especulativas logran unificar la descripción matemática de las interacciones fuertes y las electro-débiles.

Finalmente, el ultimo eslabón del Modelo Estándar es el bosón de Higgs. No entraremos aquí en detalle porque el Bosón de Higgs merece su propio post. Solo diremos que es el elemento del Modelo Estándar que da masa al resto de componentes, tanto partículas como cuantos de interacción.

Imágen 3: Oscar Varela en la construcción del LHC en el CERN en 2005

El Modelo Estándar es efectivamente una teoría de gran sofisticación verificada experimentalmente. Como es sabido, el Comité Nobel de Estocolmo hace de la verificación experimental requisito indispensable para otorgar tan prestigioso galardón. Así pues, el Modelo Estándar ha recibido varios. El primero, en 1979, lo recibieron Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg (Imagen 1) por sus contribuciones a la teoría electro-débil. En 2004, David Gross, David Politzer and Franck Wilczek recibieron el premio Nobel por desentrañar ciertos aspectos de la interacción fuerte. Y más recientemente, François Englert y Peter Higgs compartieron el Nobel por sus descripciones teóricas, independientes, del famoso bosón.

En sucesivos posts seguiremos hablando del camino hacia la Unificación, para llegar finalmente a la Teoría de Cuerdas. 

Texto de Óscar Varela, Doctor en Físicas, Assistant Professor en Utah State University, y Senior Scientist en Max Planck Insitut für Gravitationsphysik, Postdam.