El modelo estándar

André s Macho Ortiz, Agosto 2015

Modelo Estándar de Física de Partículas El objetivo de este documento es acercar al lector menos familiarizado con la física actual ― entre los que me incluyo ― y cuyo conocimiento del modelo atómico se ha quedado en un mero “protón, neutrón y electrón”, al modelo atómico contemplado por la física moderna, un vasto escenario compuesto por una lluvia de partículas elementales con un sinfín de nombres imposibles de recordar y cuyas interacciones nos son aún más desconocidas. Aquellos que tengan interés y entusiasmo en encontrar la respuesta a preguntas tan antiguas como ― ¿de dónde viene la materia? o ¿cómo se genera la fuerza gravitatoria y electromagnética? ― encontrarán en unas simples páginas un pequeño impulso para que se animen a descubrir más por este apasionante mundo de la física cuántica. Parafraseando al premio Nobel de Física Sheldon Lee Glashow “La clave del futuro es la curiosidad humana” nos adentramos, movidos por dicha curiosidad, al maravilloso mundo de las partículas subatómicas y de las fuerzas fundamentales que constituyen la naturaleza de nuestro universo. La primera sección describe la interacción entre las fuerzas fundamentales de forma mucho más simplificada que la segunda, siendo esta última una versión mucho más fiel a la recogida por la teoría cuántica de campos. De esta manera, el lector es libre de escoger la versión que le resulte de mayor interés. Modelo Estándar de Física de Partículas (simplificado) Quizá la mejor forma de abordar de manera sencilla y amena nuestro objetivo sea el de intentar comprender el concepto de fuerza, ese fenómeno tan cotidiano que asociamos con la gravedad o la electricidad y que en su época llevo a Galileo, Newton y Maxwell entre otros a intentar describir sus efectos mediante la enunciación de leyes físicas. Sin embargo, todos ellos escondían un vergonzoso secreto que nunca revelaron a los demás: no tenían ni idea de cómo se originaban ni la fuerza gravitatoria ni la electromagnética. Pero, ¿por qué nos empeñamos en creer que sabemos más que ellos solo unos 300 años después de Newton? Resulta difícil imaginarse la forma y el tamaño de los átomos ya que son conceptos que exceden enormemente nuestra experiencia sensorial ordinaria. No nos queda más remedio que fiarnos de nuestros razonamientos matemáticos y corroborarlos experimentalmente para poder seguir explorando la naturaleza de todos los fenómenos que encierra nuestro universo y que escapan a nuestros sentidos. El concepto de fuerza de la física newtoniana (recogido por la mecánica clásica) nos lo enseñan en la escuela e instituto a través de un conjunto de cuerpos con masas o cargas eléctricas que se atraen o se repelen entre sí por medio de unos vectores de fuerza, que dibujamos de forma muchas veces poco acertada para intentar describir los fenómenos de movimiento que observamos con nuestros sentidos. Todos esos ejercicios de poleas moviéndose arriba y abajo, coches acelerando, cañones disparando en movimiento parabólico o el cálculo de trenes viajando en direcciones opuestas para predecir cuándo y dónde van a chocar, no tienen más que un solo objetivo: intentar que el joven estudiante aborrezca la física desde el primer momento en que empieza a familiarizarse con ella, hecho que queda reforzado muchas veces por el desconocimiento que también presenta quien imparte la materia a los jóvenes adolescentes. Ante la catástrofe didáctica que supone intentar comprender y enseñar los fenómenos y fuerzas fundamentales de la naturaleza por medio de la mecánica clásica y el electromagnetismo, basados en escenarios “simplificados” que solo hacen confundir al estudiante, parece increíble que la física del siglo XX haya conseguido explicar todos esos fenómenos de una manera mucho más exacta, precisa y a mi modo de ver más intuitiva que basar las explicaciones dibujando poleas o electrones solitarios a diestro y siniestro en una pizarra. El concepto de fuerza en física cuántica fue sustituido de forma brillante por el concepto de interacción entre partículas subatómicas, es decir, partículas cuyo tamaño es inferior al del tamaño de un átomo. La física actual explica (y de forma muy elegante) dicha interacción como un intercambio de “mensajes” entre las partículas elementales que componen el átomo. Cuantos más mensajes intercambien las partículas, mayor será la fuerza que veamos entre ellas. Podríamos entender entonces el origen de cualquier fuerza de nuestra naturaleza, salvando las distancias, como una conversación de whatsapp entre una pareja de adolescentes: cuantos más mensajes intercambian entre ellos, más atraídos o repelidos se sienten dependiendo evidentemente de la carga de amistad que los identifique. Si ambos no tienen una característica en común que los identifique, lo que hemos denominado carga de amistad, no se establecerá ningún tipo de interacción entre ellos o intercambio de mensajes.

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El origen de las fuerzas que experimentamos en nuestra vida cotidiana (aunque no seamos conscientes de ello) es semejante al ejemplo propuesto. Las partículas que interaccionan entre sí y experimentan una fuerza de atracción o repulsión (nuestro adolescentes) son las partículas denominadas FERMIONES, mientras que los mensajes de whatsapp son las denominadas partículas de intercambio de fuerzas, los BOSONES. Cuanto mayor sea el número de bosones intercambiado entre los fermiones, mayor será el valor de la fuerza asociada a dicha interacción. Y al igual que los dos adolescentes experimentan una fuerza de atracción o repulsión dependiendo de la carga de amistad que los identifique, los fermiones se atraen o se repelen dependiendo de otro tipo de carga o característica que tengan en común. Por ejemplo, en la fuerza electromagnética (una de las fuerzas que podemos experimentar de forma cotidiana) los adolescentes podrían estar representados por un protón y un electrón intercambiándose unos mensajes denominados fotones. Y la naturaleza de la fuerza experimentada dependerá del tipo de carga eléctrica que identifique a cada fermión, en este caso al tener el protón y el electrón cargas eléctricas opuestas, la fuerza experimentada entre ambos será una fuerza de atracción. La Figura 1 describe el concepto básico de interacción en la física cuántica. Dicha interacción queda descrita dentro de un modelo que el físico Steven Weinberg bautizó en 1969 con el nombre de modelo estándar. La descripción simplificada con carácter divulgativo de dicho modelo es el objetivo que nos lleva a escribir este documento.

absorción

emisión

absorción

Característica en común

emisión

Fermión

Bosón

Fermión

Carga Eléctrica Carga de Color o Sabor

(Mensaje)

Carga Eléctrica Carga de Color o Sabor

Fig. 1. Emisión y absorción de un bosón entre dos fermiones. Al igual que los adolescentes, los fermiones deben tener una característica en común que los identifique para que se puedan intercambiar mensajes en forma de bosones.

El intercambio de bosones entre fermiones se produce gracias a la existencia de un CAMPO CUÁNTICO asociado a dicha interacción. Realmente es un proceso de realimentación. El campo cuántico no puede generarse si no hay intercambio de bosones entre fermiones y éstos no pueden intercambiar bosones si no existe el campo. Un ejemplo fácil de ver es lo que ocurre con la fuerza electromagnética. Como veremos más adelante, la fuerza electromagnética queda descrita por el campo electromagnético, el cual se puede considerar causa y consecuencia del intercambio de fotones entre fermiones cargados eléctricamente, como son los protones y los electrones. Si no hay intercambio de fotones no existe campo electromagnético y a su vez, si no existe campo electromagnético no puede haber intercambio de fotones. Así pues existen cuatro interacciones o fuerzas fundamentales en nuestro universo, cada una descrita por su campo cuántico correspondiente y sus fermiones y bosones específicos. Se cree que realmente las cuatro fuerzas son una manifestación diferente de una fuerza elemental que explicaría la interacción entre todas ellas. Sin embargo, aunque aún no hemos conseguido unificarlas bajo una sola teoría, ésta ya ha sido bautizada con el nombre de Teoría del Todo. No obstante, los físicos tienen grandes esperanzas en la teoría de cuerdas como firme candidata a ocupar el trono del santo grial de la física moderna. Las cuatro fuerzas fundamentales que contempla la física a inicios del siglo XXI son: 

Fuerza Electromagnética: La interacción electromagnética es la “conversación” que ocurre entre las partículas con CARGA ELÉCTRICA: ELECTRONES y QUARKS. Los protones no se consideran realmente las partículas elementales de interacción ya que su estructura está compuesta por un conjunto de quarks. Por lo tanto son los electrones y los quarks los que desempeñan el papel de fermiones,

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mientras que los bosones de la interacción electromagnética son los FOTONES, partículas elementales sin masa de intercambio de fuerza electromagnética.

emisión

Electrón

absorción

Fotón

(Carga eléctrica)

Quark

(sin masa)

(Carga eléctrica)

Fig. 2. Modelo de interacción electromagnética.



Fuerza Nuclear Fuerte: Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los protones y neutrones que coexisten en el núcleo atómico. Sin ella los protones se repelerían entre sí debido a la fuerza electromagnética y se haría difícil nuestra existencia tal y como la conocemos. La fuerza nuclear fuerte se produce debido al intercambio de GLUONES (bosónes) entre partículas elementales que tienen como característica en común CARGA DE COLOR. Estas partículas son los fermiones de la fuerza nuclear fuerte: los QUARKS. La teoría que describe la fuerza nuclear fuerte fue desarrollada por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross en 1980 y se conoce con el nombre de Cromodinámica Cuántica o QCD (Quantum Chromodynamics). Los tres recibieron el Premio Nobel de Física en 2004.

emisión

Quark (Carga de color)

absorción

Gluón

Quark

(con masa)

(Carga de color)

Fig. 3. Modelo de interacción nuclear fuerte.



Fuerza Nuclear Débil: La fuerza nuclear débil es la encargada de mantener la estabilidad en el núcleo atómico en situaciones en las que el número de protones y neutrones se desbalancea. En dicha situación se produce una conversión de algunos protones a neutrones y viceversa, dependiendo del tipo de partícula predominante. Dicha conversión se conoce como radiación beta y da como resultado la emisión de un electrón. La interacción nuclear débil se produce solo entre fermiones con SABOR. Los fermiones de dicha fuerza son los QUARKS y los NEUTRINOS (entre muchas otras que no vamos a resaltar por no complicar la descripción), mientras que los bosones asociados son los denominados BOSONES W y Z. Steven Weinberg, Sheldom Lee Glashow y Abdus Salam describieron teóricamente dicha fuerza y la unificaron con la electromagnética en 1968 dando lugar a la teoría electrodébil. De ésta manera ambas fuerzas se explican como la manifestación de una sola fuerza más fundamental, la electrodébil. Los tres fueron premiados con el Premio Nobel de Física en 1979.

emisión

absorción

Quark

Bosón W/Z

Neutrino

(Sabor)

(con masa)

(Sabor)

Fig. 4. Modelo de interacción nuclear débil.

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

André s Macho Ortiz, Agosto 2015

Fuerza Gravitacional: La gravedad es la última de las cuatro interacciones fundamentales. La experimentan todas las partículas con masa (quarks, electrones, neutrinos y los bosones con masa como el gluón y los bosones W y Z). A fechas de 2015, se considera que el bosón asociado es el GRAVITÓN (sin confirmar experimentalmente). Actualmente, a inicios del siglo XXI se cree que existe una fuerza antigravitatoria: la denominada energía oscura, la cual tendría carácter repulsivo y sería la causa principal de que la expansión del universo se esté acelerando.

¿Y dónde queda el bosón más famoso y del que más hemos oído hablar? El bosón de Higgs predicho por Peter Higgs en 1964 y origen de la masa de las partículas elementales. El modelo estándar contempla que existiría un campo cuántico por todo el espacio, el campo de Higgs que interactúa con los fermiones y algunos bosones dándoles masa a partir de dicha interacción. Sin embargo, el bosón de Higgs solo sería el causante de la masa que contienen los quarks, los neutrinos y los electrones, pero no explica la enorme masa adicional del núcleo atómico ni la masa asociada a la materia oscura y energía oscura. La explicación de esos fenómenos queda fuera del objetivo de este documento, aunque algunos conceptos adicionales se aclaran en la siguiente sección con mayor detalle. Modelo Estándar (simplificado)

Fermiones

Bosones

Fotón

Gluón

Bosón Z

Bosón W

Bosón de Higgs

Quarks

Leptones

Se combinan y forman: Protón Neutrón

Gravitón??

Fig. 5. Modelo estándar simplificado.

Electrones

Neutrinos

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André s Macho Ortiz, Agosto 2015

Modelo Estándar de Física de Partículas (extendido) El concepto de fuerza en física cuántica es explicado a través de la interacción entre partículas subatómicas elementales, es decir, partículas cuyo tamaño es del orden de los attómetros (1 am = 10−18 metros). Dicha interacción se produce cuando los fermiones (quarks y leptones) emiten y reciben partículas de intercambio de fuerzas denominadas bosones (gluón, mesón, bosones W+, W− y Z0, fotón y gravitón). Cuanto mayor es el ratio de intercambio de bosones entre los fermiones, mayor es el valor de la fuerza experimentada. La figura 6 describe el concepto básico de interacción de los diferentes tipos de partículas elementales que contempla el modelo estándar. A dichas interacciones entre fermiones y bosones se las denominan interacciones gauge, excluyendo del concepto al gravitón al no haberse encontrado todavía una teoría cuántica de la gravedad confirmada experimentalmente. De ésta manera el modelo estándar explica solo la interacción de tres de las cuatro fuerzas fundamentales mediante las interacciones gauge con la denominada Teoría Cuántica de Campos.

emisión

absorción

Fermión

Bosón

Quarks y leptones (con masa)

Gluón, mesón, bosones W+ W− y Z0, fotón y gravitón (con/sin masa)

Fermión

Fig. 6. Emisión y absorción de un bosón entre dos fermiones.

El intercambio de bosones entre fermiones se produce gracias a la existencia de un campo cuántico asociado a dicha interacción. Tal y como hemos mencionado en la sección anterior, se produce un proceso de realimentación en el que el campo cuántico no puede generarse si no hay intercambio de bosones entre fermiones y éstos a su vez no pueden intercambiar bosones si no existe dicho campo. Existen en global cuatro interacciones o fuerzas fundamentales en nuestro universo, cada una descrita por su campo cuántico correspondiente y sus fermiones y bosones específicos. Se cree que realmente las cuatro fuerzas son una manifestación diferente de una fuerza elemental que explicaría la interacción entre todas ellas. Sin embargo, a pesar de que no se ha lograda unificarlas bajo una sola teoría, ésta ya ha sido bautizada bajo el nombre de Teoría del Todo. Las cuatro fuerzas fundamentales que contempla la física a inicios del siglo XXI son: 

Fuerza Nuclear Fuerte (S): Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí a los protones. Distinguimos dos tipos de fuerza nuclear fuerte dependiendo de cuál sea su origen: la fuerza nuclear fuerte fundamental y la residual. Los fermiones de la fuerza nuclear fuerte fundamental son las partículas con CARGA DE COLOR, los QUARKS y los GLUONES, y el bosón asociado es el GLUÓN. El gluón sufre y transporta a su vez la fuerza nuclear fuerte fundamental, es decir, desempeña tanto el papel de fermión como de bosón. Éste posee masa al interaccionar con el campo de Higgs, y a consecuencia de tener masa, la fuerza nuclear fuerte se convierte en una fuerza de corto alcance al no percibirse a distancias mayores a 1 fm, el tamaño de los núcleos atómicos. Los físicos diferencian una segunda fuerza nuclear fuerte denominada residual, la cual es la encargada de mantener la estabilidad en el núcleo atómico. El fermión asociado recibe el nombre de HADRÓN (conjunto de quarks) y el bosón correspondiente es el MESÓN. La teoría que describe la fuerza nuclear fuerte fue desarrollada por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross en 1980 y se conoce con el nombre de Cromodinámica Cuántica o QCD (Quantum Chromodynamics). Los tres recibieron el Premio Nobel de Física en 2004 por su contribución al desarrollo de esta teoría.

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

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Fuerza Nuclear Débil (W): La fuerza nuclear débil es la encargada de mantener la estabilidad en el núcleo atómico en situaciones en las que el número de protones y neutrones se desbalancea dentro del mismo. En dicha situación se produce una conversión de algunos protones a neutrones y viceversa, dependiendo del tipo de nucleón predominante. Dicha conversión se conoce como desintegración, radiación o decaimiento BETA y da como resultado la emisión de un electrón o positrón y un antineutrino o neutrino electrónico dependiendo del sentido de la conversión: la conversión de un protón en neutrón se denomina desintegración β+ y da lugar a la emisión de un positrón y un neutrino electrónico, mientras que la conversión inversa de neutrón a protón se denomina desintegración β− y da lugar a la emisión de un electrón y un antineutrino electrónico. Los fermiones de dicha fuerza son las partículas con SABOR, los QUARKS y los LEPTONES, mientras que los bosones asociados son los bosones vectoriales másicos W +, W− y Z0. Al tener masa deducimos que estos bosones también interactúan con el campo de Higgs y que la fuerza nuclear débil que portan es de corto alcance, al igual que la nuclear fuerte, pero de unos ~1014 órdenes de magnitud inferior a ésta. Steven Weinberg, Sheldom Lee Glashow y Abdus Salam describieron teóricamente dicha fuerza y la unificaron con la electromagnética en 1968 dando lugar a la teoría electrodébil (EW). De ésta manera ambas fuerzas se explican como la manifestación de una sola fuerza más fundamental, la electrodébil. Los tres fueron premiados con el Premio Nobel de Física en 1979.



Fuerza Electromagnética (EM): La interacción electromagnética es la interacción que ocurre entre las partículas con carga eléctrica: ELECTRONES, POSITRONES, QUARKS Y PROTONES. Éstos desempeñan el papel de fermiones, mientras que los bosones de la interacción electromagnética son los FOTONES, partículas sin masa. El alcance de esta fuerza se considera infinito al no interaccionar sus bosones con el campo de Higgs. La electricidad y el magnetismo fueron unificados por James Clerk Maxwell en 1864.



Fuerza Gravitacional (G): La gravedad es la última de las cuatro interacciones fundamentales. A pesar de ser la más conocida y con la que más interactuamos de forma cotidiana, todavía no se ha podido incluir en el modelo estándar. La razón principal es que no se ha encontrado el origen cuántico de dicha fuerza. La experimentan todas las partículas con masa y se cree que el bosón asociado es el llamado GRAVITÓN. La gran dificultad de encontrar una teoría de la gravedad cuántica radica en su aparente incompatibilidad con el principio de incertidumbre de Heisenberg que gobierna la mecánica cuántica y las teorías gauge. El principio de incertidumbre de Heisenberg lo podemos enunciar de múltiples maneras. Una de ellas nos viene a decir que la incertidumbre que tenemos en el valor de un campo cuántico es inversamente proporcional a la incertidumbre con la que conocemos el valor de su variación con el tiempo. Por ejemplo, si medimos el campo eléctrico asociado a un electrón con un error de estimación del 0.1%, el error en la medida de la variación de dicho campo con el tiempo adquiere un valor del 6%. Cuanto más afinamos el valor de un campo cuántico en un determinado punto del espacio, más error cometemos al medir la variación de dicho campo con el tiempo. Al intentar introducir el principio de incertidumbre en la gravedad llegamos a infinitos absurdos, lo que en física se denomina “anomalías”. Si observamos detenidamente el espacio “vacío” del sistema solar, o de cualquier otra zona del espacio donde no haya presencia aparente de materia, encontraremos evidencias de la presencia de la fuerza gravitatoria que afecta a los planetas y estrellas de alrededor, por lo que en esas zonas el campo gravitatorio no puede ser nulo y por lo tanto, según el principio de incertidumbre, su tasa de cambio con el tiempo tampoco. Si en esas zonas de “vacío” el campo gravitatorio fuese nulo ocurrirían dos cosas. La primera y más evidente es que no podríamos percibir ningún tipo de fuerza gravitatoria en sus entornos. La

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segunda es que si el campo es nulo su variación con el tiempo también lo será, por lo que la incertidumbre en el valor del campo y en la tasa de cambio con el tiempo serían valores bien definidos y por lo tanto se violaría el principio de incertidumbre. Sin embargo, se ha verificado experimentalmente que en el propio “vacío” existen fluctuaciones de todos los campos cuánticos debido a la presencia de pares de partículas y antipartículas generándose y aniquilándose mutuamente. Por ejemplo, el campo eléctrico presenta fluctuaciones cuánticas debido a la generación y aniquilación de fotones virtuales que surgen de la interacción entre electrones y sus antipartículas, los positrones. Un fotón virtual da lugar a un par electrón/positrón y estos se vuelven a aniquilar mutuamente generando un nuevo fotón virtual. Este proceso da lugar a fluctuaciones cuánticas de campo eléctrico que son perfectamente medibles y observables. Por lo tanto, en el caso del campo gravitatorio las fluctuaciones cuánticas en el “vacío” se asocian a la generación y aniquilación de gravitones virtuales. En el propio “vacío” debe haber presencia de partículas elementales y sus antipartículas generando bosones virtuales. Al ser la extensión del “vacío” infinita, también podremos considerar infinito el número de pares partículas-antipartículas. El problema es que estos pares de partículas-antipartículas poseen energía y, por lo tanto, según la conversión masa-energía E = m·c2 enunciada por Einstein, si existen infinitos pares partículas-antipartículas también existirá una cantidad infinita de masa. Y aquí es donde vemos que la relatividad general es incompatible con el principio de incertidumbre. Si consideramos una cantidad infinita de masa en el universo, entonces el tejido espacio-temporal del mismo se debería curvar de forma infinita sobre sí mismo debido a su acción gravitatoria, lo que nos lleva a una anomalía absurda dado que la curvatura del tejido espaciotemporal en el vacío no es infinita. De hecho tiene un valor finito y perfectamente medible. Se hace evidente por lo tanto la dificultad que conlleva intentar hacer compatible el principio de incertidumbre con la gravedad. Ésta es la principal razón de que los físicos no hayan encontrado todavía una teoría cuántica de la gravedad que sea compatible con las teorías gauge que describen las otras tres fuerzas. Resulta curioso pararse a pensar que la gravedad nos de tantos problemas. Es la primera fuerza que nos pusimos a estudiar de la mano de Newton, para darnos cuenta a la postre que dicha fuerza no podía ser instantánea ya que si no iría más rápido que la velocidad de la luz. Tuvimos que esperar a que un empleado de una oficina de patentes Suiza, Albert Einstein, revisara y reformulara sus principios en la teoría de la relatividad general. Y 100 años después sabemos que dicha teoría debe ser reescrita dado que lleva a incompatibilidades con el principio de incertidumbre y se desmorona si resolvemos sus ecuaciones en agujeros negros o en el Big Bang. No obstante, tenemos buenas razones para creer que la Teoría M (actual nombre que se le da a la teoría de cuerdas) puede ser una firme candidata a explicar la gravedad desde un enfoque cuántico. La Teoría M predice que el bosón de la gravedad, el gravitón, estaría encerrado por una cuerda cerrada que puede escapar de nuestra membrana multidimensional y pasar a universos paralelos, tal y como se ilustra en la Fig. 7. Recibe el nombre de gravitón evanescente. Actualmente se está intentado demostrar su existencia en los aceleradores de partículas.

(a)

(b)

Fig. 7. (a) cuerdas abiertas atadas a nuestra membrana y, (b) gravitón escapando de ella al estar en una cuerda cerrada. La fuerza nuclear fuerte, débil y la fuerza electromagnética son aparentemente más fuertes que la gravitacional porque están concentradas en una sola membrana, mientras que la gravitacional podría estar distribuida en varias membranas.

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Así pues, el gravitón se considera la partícula de intercambio de la interacción gravitatoria, siendo ésta una partícula sin masa. Por este motivo la fuerza gravitatoria tiene un alcance infinito. Albert Einstein enunció que: “Dicha fuerza es una ilusión, un efecto de deformación en la geometría del espacio-tiempo. La Tierra deforma el espacio-tiempo de nuestro entorno, de manera que es el propio espacio quien nos empuja hacia el suelo”. Actualmente, a inicios del siglo XXI, se cree que existe adicionalmente una fuerza antigravitatoria relacionada con la denominada energía oscura. Ésta tendría carácter repulsivo y sería la causa principal de que la expansión del universo se esté acelerando. La comparación entre las cuatro fuerzas fundamentales aparece detallada en la siguiente tabla tomando a la más débil, la gravedad, como referencia: Tabla 1. Comparación entre las cuatro fuerzas fundamentales

Interacción

Ratio

Nuclear Fuerte

1040

Nuclear débil

1026

Electromagnética

1038

Gravitacional

1

La Teoría de la Gran Unificación (GUT) pretende explicar las tres primeras fuerzas como manifestación de una más elemental. Actualmente todavía no se ha conseguido, aunque se cree que la supersimetría sería la que permitiría dicha unificación. Ésta predice la existencia de las partículas S, partículas simétricas de las contempladas por el modelo estándar (ver Fig. 8) de gran peso que podrían constituir la denominada materia oscura. La supersimetría además predice el decaimiento del protón en un pión y un electrón en un tiempo de vida inmensamente largo, lo que está en proceso de verificación experimental. Por su parte, la Teoría del Todo busca la unificación de las cuatro fuerzas. La Teoría de cuerdas o Teoría M unifica dichas fuerzas de forma teórica. Sin embargo, todavía no se han demostrado experimentalmente ni sus principios básicos, ni las consecuencias directas predichas por la teoría, como el gravitón evanescente, la supersimetría y partículas S, las 11 dimensiones espacio-temporales… Actualmente, en 2015, hay esperanzas de poner a prueba por primera vez la teoría de cuerdas bajo experimentación para intentar comprobar si la descripción del entrelazamiento cuántico entre partículas, tal y como describe la teoría de cuerdas, es coherente con las observaciones en el laboratorio. ¿Y dónde queda el bosón más famoso y del que más hemos oído hablar? El bosón de Higgs predicho por Peter Higgs en 1964 y origen de la masa de las partículas elementales del modelo estándar (ver Fig. 8). El modelo estándar describe que existiría un campo cuántico por todo el espacio, denominado campo de Higgs, que interactúa con los fermiones, leptones y algunos bosones dándoles masa a partir de dicha interacción. Sin embargo, conviene resaltar una serie de aspectos interesantes de dicha interacción: 





Los bosones que interactúan con el campo de Higgs, el gluón y los bosones W y Z tienen masa, mientras que el fotón y el gravitón carecen de masa al no interactuar con dicho campo. Curiosamente son estos dos últimos los que generan fuerzas de alcance infinito, mientras que los bosones con masa solo generan fuerzas de corto alcance (~ 1 fm). El bosón de Higgs consigue explicar por qué los quarks tienen masa. Sin embargo, la masa del núcleo atómico es mucho mayor que la suma de las masas de todas sus partículas elementales. Por lo tanto, ¿de dónde proviene la mayor parte de la masa que vemos y sobre la que nos sostenemos? Para responder a ello debemos recurrir a la libertad asintótica. La libertad asintótica, enunciada por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross en 1973, predice que los quarks se comportan como una goma elástica. Cuanto más los intentas estirar mayor es la fuerza con la que intentan permanecer unidos. Es precisamente en esta fuerza de ligadura, almacenada en la interacción nuclear fuerte, donde reside el origen de nuestra masa. La conversión masa-energía E = m·c2, establecida por Einstein y trabajando continuamente en nuestro universo, se encarga de convertir la energía de la interacción nuclear fuerte en la masa de los núcleos atómicos. La masa que vemos constituye solo el 5% de toda la masa-energía de nuestro universo. Habría un 20% de masa-energía asociada a la materia oscura y un 75% asociada a la energía oscura. Aunque

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ya hay ciertas teorías propuestas sobre el origen de cada una de ellas, todavía estamos en las etapas iniciales de su investigación. Modelo Estándar

Fermiones

Bosones

Mesón

Gluón

Fotón

Bosón de Higgs

Quarks

Bosón Z

Bosón W

Up

Down

Charm

Strange

Top

Bottom

Leptones

Electrón

Muón

Neutrinos

Tauón

Neutrino Electrónico

Gravitón?? Se combinan y forman: Hadrones

Protón

Neutrón

Hiperones

Fig. 8. Modelo estándar de partículas elementales.

Neutrino Muónico

Neutrino Tauónico