El modelo estándar en física de partículas

Los pensadores atómicos de la antigüedad se atrevieron a afirmar que el mundo no está formado por una mezcla de diferentes sustancias continuas (el aire, agua, fuego, tierra y quintaesencia, en Aristóteles) pero ladrillos elementales discretos cuya infinita variedad de combinaciones e interacciones genera toda la diversidad de fenómenos físicos. Eran 25 … hace siglos! Hoy, lo sabemos: la materia ordinaria consiste en dos variedades de quarks (alfombra en el corazón de protones y neutrones que forman núcleos atómicos), electrones (que juegan el papel principal en fenómenos químicos) y neutrinos. Por una razón aún desconocida, esta familia de materia ordinaria tiene dos réplicas cuyos miembros son más pesados cada vez, y que se han observado gracias a los aceleradores. Ambos también están formados por dos quarks, un leptón cargado (una especie de electrón pesado) y su neutrino asociado. Estas partículas de materia son todos fermiones, 1/2 partículas de espín.

Puede parecer que estas entidades fundamentales son demasiado numerosas… especialmente porque cada una de estas 12 partículas está asociada con una antipartícula. Sin embargo, los físicos han visto aparecer la muy buscada armonía y simplicidad en términos de sus interacciones. Los quarks y los leptones interactúan intercambiando partículas mensajeras, bosones vectoriales (partículas de giro 1) que son los mediadores de interacciones fundamentales: fotón, mediador de interacción electromagnética, gluón, mediador de interacción nuclear fuerte y bosones W +, W– y Z °, mediadores de interacción electrodérea (ver Figura 2).

El modelo estándar de física de partículas se formuló a principios de la década de 1970. Ya no era un «modelo» basado en aproximaciones válidas bajo ciertas condiciones, sino una teoría real de la cual podemos extraer predicciones sin apelación, tan precisas como queramos y verificables experimentalmente. Y todos fueron revisados. La cromodinámica cuántica es uno de los dos componentes del modelo estándar. Los quarks, que tienen un «color», una especie de «carga fuerte» existente en tres variedades, interactúan con el intercambio de gluones, también con un «color». El otro componente es la teoría del electrodébil, una teoría donde las interacciones débiles y electromagnéticas aparecen como dos aspectos del mismo mecanismo. El descubrimiento de estos dos pilares del modelo fue recompensado por los Premios Nobel otorgados a Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg, en 1979, y a Gerard t’Hooft y Martin Veltman, en 1999.

Un universo simétrico

El aspecto notable del modelo estándar es que se deriva de un principio único de simetría común a todos los modos de interacción. De que se trata? Los físicos han notado durante mucho tiempo que la dinámica del mundo obedece los principios de invariancia reflejados en leyes particulares de simetría. Si se llevan a cabo ciertas transformaciones, como rotaciones, traducciones o variadores de velocidad, por ejemplo, las leyes de la física permanecen sin cambios. Estas transformaciones pueden afectar las variables cinemáticas, como en los ejemplos anteriores, pero también las propiedades internas de partículas como la carga eléctrica o «color», carga de la interacción fuerte que existe en tres variedades (azul, verde y azul) . Por lo tanto, si conectamos todo el cosmos a un terminal eléctrico con un potencial electromagnético constante, todos los fenómenos físicos no cambiarían: todo sucede como si las leyes de la física se definieran con un valor de calibración, de ahí el nombre de «teoría del medidor». Del mismo modo, si intercambiamos los «colores» de todos los quarks por una permutación circular, el Universo nos parecería idéntico.

A primera vista, Estas simetrías son solo globales: para que el mundo físico permanezca invariable bajo la acción de una de estas transformaciones, Se debe tener cuidado de aplicarlo a todo el cosmos (o, al menos, a todo el sistema estudiado si está suficientemente bien aislado del resto del Universo). Sin embargo, la existencia de «fuerzas» que tienen ciertas características hace que estos principios de simetría global sean locales: ciertas transformaciones pueden llevarse a cabo de forma independiente en diferentes puntos del espacio-tiempo. Sin embargo, esta invariancia local tiene un precio: es necesario incluir en la teoría de las fuerzas, bosones vectoriales acoplados a partículas, cuyas transformaciones simultáneas pueden compensar los efectos asociados con los cambios arbitrarios realizados en los fermiones (ver Figuras 3 y 4) . Al imponer una propiedad de invariancia local, predice un modo de interacción y especifica todas sus propiedades! Es el milagro de las teorías de calibre no abeliano del modelo estándar: las fuerzas fluyen de una propiedad de simetría, el adjetivo «no abeliano» simplemente refleja el hecho de que el resultado de dos transformaciones sucesivas depende del orden elegido para realizarlas.

El modelo estándar de física de partículas describe correctamente la estructura y la dinámica de la materia hasta una escala de 10 a 19 metros que podemos explorar hoy. La mayor parte de la aventura que condujo a su creación y verificación ha tenido lugar en los últimos 25 años. Gracias a los avances técnicos realizados en el campo de los aceleradores y detectores de partículas (Simon Van der Meer, uno de los grandes físicos en aceleradores, recibió el Premio Nobel en 1984, al igual que Georges Charpak, en 1992, por su trabajo en cámaras de detección de cables) exploramos y probamos el modelo estándar con una precisión increíble y la principal sorpresa fue … que no hubo notable! El modelo estándar «on».

Máquinas cada vez más potentes

En 1973, nuestra confianza en la teoría del electrodébil, esbozada a fines de la década de 1960, ya era grande, porque acababa de verse reforzada por el descubrimiento, en la oscuridad (Centro Europeo de Investigación Nuclear), de «la interacción por corrientes neutrales «. Este fenómeno se predijo en el contexto de la teoría del electrodébil junto con la interacción débil tradicional, donde las partículas, por ejemplo, un electrón y un neutrino, intercambian una carga eléctrica (ver Figura 2) . Este nuevo modo de interacción, aún desconocido, implicaba la existencia de un bosón neutral, el Z °. Durante las colisiones estudiadas, esta nueva interacción podría destacarse y verificarse las propiedades esperadas. Sin embargo, no observamos directamente los bosones Z ° y W predichos por la teoría del electrodébil, porque las masas de estas partículas, que sabíamos estimar a partir de este momento, son aproximadamente 100 veces más altos que los del protón, demasiado alto para ser producido con aceleradores disponibles.

En el lado cromodinámico del modelo, ya a mediados de la década de 1970, destacamos, cada vez más claramente, «chorros hadronicos», haces estrechos de partículas (especialmente mesones π), que se esperaban como consecuencia de la reacción de los quarks en una colisión de alta energía. Aunque no se observaron los quarks, su presencia y sus propiedades teóricas permitieron comprender todo lo que estaba sucediendo en nuestros detectores.

Posteriormente, los índices favorables continuaron acumulándose a un ritmo acelerado. En 1979, los físicos desy (sincrotrón de electrones alemán) en Hamburgo observaron el gluón directamente. Después de los quarks u y re (que forman los nucleones comunes) y el quark s ya conocido, El quark vs fue resaltado por la observación de un nuevo mesón, Una partícula formada por un quark vs y su anticuario, que ganó el Premio Nobel a Samuel Ting y Burton Richter, en 1976. El mismo año, los físicos Fermilab en Chicago, observaron el quark b y, en 1977, el descubrimiento de lepton tau colegas. Estos grandes resultados experimentales nos exaltan. Sin embargo, todavía faltaba la evidencia irrefutable del modelo estándar: tuvimos que descubrir los bosones W y el Z ° para verificar que realmente estábamos en el camino correcto. Por lo tanto, nuestro problema era alcanzar energías de colisión lo suficientemente altas como para producir partículas tan pesadas.

En 1976 Carlo Rubbia propuso transformar el acelerador de protones cervicales en un colisionador de protones y antiprotones. Viajando por la máquina en direcciones opuestas, estas partículas colisionarían de frente con una energía del orden de 600 gigelectronvoltios, lo suficientemente grande como para finalmente producir los bosones W y Z. El cern, bajo la dirección de Léon Van Hove y John Adams, asumió el desafío y, en 1983, estas dos partículas estaban allí, con todas las propiedades proporcionadas. C. Rubbia recibió el Premio Nobel al año siguiente. Se tuvieron que construir detectores impresionantes y muy eficientes, gracias a los cuales uno podría reconstruir los eventos buscados entre un millón de otros fenómenos ya conocidos! Además, Había calculado, con el cern, las propiedades de los fenómenos que tuvieron que ser observados y, en particular, La probabilidad de las diferentes interacciones entre quarks y gluones que se buscaron en el marco del modelo estándar, Estas predicciones tienen en cuenta las características del colisionador y los detectores. Cuando descubrimos espectaculares aviones hadronicos en nuestros aceleradores, pudimos demostrar que constituían una prueba directa de los méritos de la cromodinámica, porque entendimos el resultado de estas violentas colisiones cuando se interpretaban en términos de colisiones entre quarks, antiquarks y gluones.

Estas mediciones fueron una prueba clave para el modelo estándar, pero la precisión que logramos en muchas mediciones aún no era muy buena. En consecuencia, estos resultados inauguraron un período de verificación total del modelo, cuyo instrumento principal fue el colisionador de electrones y antielectrones del cerval, el lep. En 1978, dirigí un taller (organizado en los edificios de la Escuela de Física Teórica del Silencio) que desempeñaría un papel importante en la definición de este nuevo acelerador. Queríamos que alcanzara energías de colisión al menos alrededor de 200 gigelectronvoltios, porque esta máquina tuvo que probar con precisión el modelo estándar. Lo recuerdo en ese momento, cinco años antes del descubrimiento de los bosones W y Z, tuvimos que convencer a muchos investigadores que todavía eran escépticos sobre los méritos de la teoría y mostrarles que esta nueva máquina aún sería muy útil, incluso si el modelo estándar estaba equivocado!

Verificaciones completas

El lep fue adoptado en 1981 y funcionó de 1989 a 2000. Su primer resultado fue la medición del número de especies de neutrinos y, por lo tanto, el número de familias de partículas y la confirmación de que solo hay tres. La medición de la masa del quark t ilustra bien la precisión de las pruebas que fueron posibles gracias a esta máquina. Lo que quark solo se podía producir creando un par de quark-antiquark y la energía requerida estaba fuera del alcance de lep. Sin embargo, los físicos lograron analizar los pequeños efectos debido a su presencia en las fluctuaciones cuánticas involucradas en las colisiones que producen otras partículas y, por lo tanto, lograron determinar su masa (175 gigaelectronvoltios) incluso antes de su observación directa. a Fermilab , en 1995. Durante dos décadas, verificamos todas las predicciones del modelo con una precisión que a menudo alcanza la milésima … todo con el único arrepentimiento de no haber conocido nunca, en la curva de una colisión entre partículas, el evento inesperado e inexplicable que nos habría puesto en el camino de una nueva teoría, aún más poderosa y fundamental.

Este período dio lugar a numerosas investigaciones fundamentales, algunas de las cuales aún están en progreso. La búsqueda y explicación de una asimetría entre la materia y la antimateria, llamada violación de la simetría de cp, es una de estas grandes misiones y se cree que su resolución explicará por qué solo la materia, omnipresente hoy, ha sobrevivido a las primeras edades del Universo. Me gustaría señalar otra aventura, en el que tuve la oportunidad de participar: la búsqueda del plasma de quarks y gluones, Un nuevo estado de la materia, cuya existencia se predice por cromodinámica a temperaturas muy altas (del orden de 200 megaelectronvoltios) o densidades muy altas (que solo te encuentras en el corazón de las estrellas de neutrones). En 1982, con colegas reunidos en el taller en Bielefeld, nos dimos cuenta de que puede no haber sido imposible alcanzar este estado en la Tierra, aunque solo sea por muy poco tiempo, durante colisiones de iones de energía pesada producidas por uno de los aceleradores más potentes de la época, el cuello uterino sps. El programa de investigación comenzó en 1986 y obtuvo resultados muy significativos en 2000, cuando los ciervos anunciaron el descubrimiento de este nuevo estado de la materia. Hoy, continúa en Brookhaven y aparecerá en la lista a partir de 2007. Creemos que este estado de la materia, donde los quarks son libres de extenderse en un vacío muy caliente, fue el del Universo en los primeros diez microsegundos que siguieron al Big Bang. Esta es una de las muchas uniones, en los últimos 15 años, entre la física de partículas y la astrofísica.

Y más allá?

Si el modelo estándar no ha sido criticado, deja algunas insatisfacciones y los teóricos no carecen de motivaciones para buscar una teoría más general. En primer lugar, si ciertas propiedades de las simetrías han permitido construir teorías de indicadores muy efectivas, todavía no entendemos por qué son precisamente estas y no otras las que juegan un papel fundamental en la naturaleza. Además, si el modelo es simple, el vacío juega un papel muy extraño. Está lleno de partículas virtuales producidas por fluctuaciones cuánticas y se ha postulado que algunas de ellas, los bosones de Higgs, confieren propiedades similares a las de un medio material superconductor. En un sólido superconductor tradicional, las interacciones entre fotones y un «mar» de electrones emparejados a baja temperatura prohíben la penetración de un campo magnético en el material. Para los físicos, este rango limitado del campo electromagnético significa que el material le da al fotón, mediador de la interacción electromagnética, una masa efectiva distinta de cero. De hecho, el rango de una fuerza es inversamente proporcional a la masa de su partícula mediadora (ver Figura 5) . Mismo tipo de propiedad, pero específico para el vacío, parece limitar el alcance de la interacción débil a alrededor de 10-18 metros, lo que equivale a decir que da una masa efectiva muy alta a los bosones W y Z que, como parte de las teorías de calibre, debería tener masa cero ver Figura 5). Del mismo modo, el vacío es opaco al campo «color» y los quarks de colores solo pueden manifestarse libremente en distancias muy cortas, o dentro de los hadrones (protones, neutrones y otras partículas formadas por quarks).

Para tener en cuenta estas propiedades, se ha introducido en el modelo estándar un nuevo campo asociado con una partícula llamada bosón de Higgs. Este campo, omnipresente en el vacío, interactuaría con los bosones medidores y con los fermiones, y les daría su masa. Como parte de la teoría del electrodébil, se predice que el umbral crítico (el equivalente de la temperatura crítica de los superconductores) es de alrededor de 200 gigelectrónvoltios. Más allá de esta temperatura, como fue el caso poco después del Big Bang, se podían observar bosones, quarks y leptones W y Z sin masa (como fotones). Este umbral también podría corresponder al orden de magnitud de la masa del bosón de Higgs aún invisible, porque es demasiado masivo, pero que debería estar al alcance del futuro gran colisionador de protones del venado, el lhc. Esta nueva máquina debería, para 2007, permitirnos descubrir lo que todavía nos burla más allá de una masa de 100 gigelectronvoltios, en particular el bosón de Higgs para el cual los últimos experimentos de lep dieron esperanza para una masa cercana a 115 gigaelectronvoltios. También esperamos detectar algunas nuevas partículas fundamentales cuya existencia se predice mediante las llamadas teorías supersimétricas (encuadernación de fermión y bosón), que son los principales contendientes para la extensión del modelo estándar. Enormes trastornos ocurrieron a principios del siglo XX cuando los físicos se deshicieron del éter luminoso que le dio al espacio vacío las propiedades de un sólido … El problema que enfrentamos es sorprendentemente similar . ¿No tenemos derecho a esperar que se produzca un progreso similar cuando podamos resolverlo?? Finalmente, otras áreas de la física, incluida la astrofísica, nos dicen que estos quarks y material leptón, cuyas propiedades hemos entendido, representarían solo el 5 por ciento de la energía contenida en el Universo observable! La naturaleza del 95 por ciento restante es una de las grandes preguntas que permanecen completamente abiertas.

Fallos inesperados

En la década de 1980, fuerte de los éxitos del modelo, los teóricos comenzaron a considerar su extensión en forma de una teoría conocida como «gran unificación» donde la interacción electrodébil y la interacción fuerte son solo dos aspectos del mismo fenómeno en el contexto de una teoría donde los quarks y los leptones serían intercambiables. Una de las predicciones de esta teoría es la inestabilidad del protón. Los resultados de la lep han demostrado que la escala de energía donde podría tener lugar esta gran unificación es de al menos alrededor de 1016 gigaelectronvoltios, de donde los físicos deducen que la vida útil promedio del protón (si es inestable) es de más de 1032 años! Para tratar de verificarlo, se han construido detectores subterráneos que contienen miles de toneladas de agua, es decir, varias veces 1032 protones que están «monitoreando» para detectar la posible desintegración de uno de ellos. Si este fenómeno aún no se ha resaltado, estos detectores no se han construido en vano. Han dado lugar a dispositivos capaces de detectar neutrinos solares y atmosféricos, y están en el origen de uno de los grandes descubrimientos recientes: la demostración de una masa muy baja, pero no cero para los neutrinos. Este resultado es el primer signo tangible de una física que solicita una extensión del modelo estándar, para el cual la masa de neutrinos es estrictamente cero. Por lo tanto, los desarrollos técnicos vinculados a los éxitos del modelo estándar tuvieron repercusiones inesperadas … para el modelo estándar en sí!

Sin embargo, las escisiones de la física de alta energía son mucho más numerosas de lo que a menudo se cree. Los avances en electrónica, imágenes, criogenia y técnicas de vacío ya se han aplicado a la industria. Fue especialmente en el área de computación digital y procesamiento de información que los beneficios fueron mayores y más espectaculares. No es un accidente si la red mundial , un componente clave de Internet que ha invadido nuestras vidas en menos de cinco años, nació en la oscuridad. Hoy, los desafíos de TI que plantea la explotación de lhc, en particular la necesidad de procesar petabytes de información por año (un millón de veces la información contenida en el genoma humano), aún deberían dar lugar a innovaciones interesantes. De hecho, si desea mejorar las capacidades informáticas globales, es ciertamente útil invertir también en física de partículas, porque los desarrollos deseados o inesperados probablemente aparecerán más rápido y económicamente de esta manera, solo por un camino elegido desde arriba porque parece más directo!

30 años de gloria

Esta aventura cambió radicalmente la forma en que vemos el mundo. Hemos entendido que las fuerzas no son ingredientes que deben introducirse arbitrariamente en nuestras teorías, junto con las partículas que están sujetas a ellas. Por el contrario, entendemos hoy que resultan de las propiedades de simetría a las que obedecen estas partículas. Del mismo modo, la masa que una vez se atribuyó intrínsecamente a cada partícula como propiedad fundamental se entiende como una reacción del vacío a su presencia, es decir, como un efecto dinámico.

Estamos en el umbral de un período tan emocionante como el de mis comienzos en el mundo de la física de partículas. Con el lhc, pronto estamos listos para explorar nuevos fenómenos que ninguna teoría había predicho hasta ahora. También vinculamos el estudio de la estructura de la materia con el del cosmos y el comienzo del Universo desde el Big Bang. Avanzar, Tendremos que recordar esta lección, de los 30 años de gloria del modelo estándar: como hemos visto desde Galileo, El descubrimiento del mundo ciertamente se basa en la aparición de ideas originales, pero también y sobre todo, sobre el progreso de nuestra instrumentación… porque la naturaleza es más rica que nuestra imaginación.

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