Modelo estándar de la física de partículas
El modelo estándar es la teoría que describe de qué consta la materia y qué fuerzas actúan entre sus componentes. Es la teoría más precisa que la física ha producido — y el neutrino es el único punto en el que es demostrablemente incompleta en el laboratorio.
El inventario
Doce partículas de materia, ordenadas en tres familias. Seis quarks, de los que constan protones y neutrones, y seis leptones — electrón, muón, tau y los tres neutrinos correspondientes. A cada uno le corresponde una antipartícula.
Cuatro partículas de fuerza. El fotón transmite el electromagnetismo, los bosones W y Z la interacción débil, los gluones la interacción fuerte, que mantiene unidos los núcleos atómicos.
Un bosón de Higgs, cuyo campo confiere su masa a las demás partículas. Fue detectado en 2012 en el CERN — casi cincuenta años después de su predicción.
Falta la gravedad. No está contenida en el modelo estándar, y hasta ahora nadie sabe cómo podría incorporarse.
Por qué tiene tanto éxito
El balance es extraordinario. El modelo estándar predijo la existencia de los bosones W y Z, del quark charm, del quark top y del bosón de Higgs antes de que fueran encontrados — en parte décadas antes.
Algunas de sus predicciones concuerdan con la medición hasta doce decimales. Es una precisión como si se determinara la distancia Berlín–Tokio con la anchura de un cabello.
Ni un solo experimento de acelerador ha encontrado jamás una contradicción clara.
Dónde termina
Y sin embargo el modelo estándar es manifiestamente incompleto. Las lagunas están bien identificadas:
La gravedad no aparece.
La materia oscura y la energía oscura constituyen juntas alrededor del 95 por ciento del contenido energético del universo. El modelo estándar describe el cinco restante.
El predominio de la materia. En el Big Bang, materia y antimateria deberían haber surgido en igual cantidad. Por qué quedó algo, el modelo no lo explica — la asimetría conocida en el sector de los quarks es demasiado pequeña en órdenes de magnitud.
El número tres. Por qué hay exactamente tres familias de partículas y no dos o cinco es algo desconocido. La medición en el bosón Z dice que son tres. No dice por qué.
La grieta en un único punto
En su versión original el modelo estándar contiene neutrinos sin masa. Eso no fue un descuido, sino una consecuencia natural de su construcción: para una masa harían falta neutrinos dextrógiros, y estos no aparecen en él.
En 1998 Takaaki Kajita mostró que los neutrinos oscilan; en 2002 Arthur B. McDonald mostró en qué se transforman. Solo puede oscilar lo que tiene masa.
Con ello un hallazgo de laboratorio se opone a la teoría — el único que hasta ahora se ha mantenido. Todas las demás desviaciones comunicadas a lo largo de los años han resultado ser fluctuaciones estadísticas o errores de medición.
El modelo estándar puede ampliarse con masas de neutrinos; la pregunta es cómo. El mecanismo seesaw sería una respuesta, y abriría al mismo tiempo un camino para explicar el predominio de la materia.
Por qué eso hace tan interesante la física de neutrinos
Quien quiere ir más allá del modelo estándar busca allí donde ya cedió una vez. Por eso en todo el mundo fluyen miles de millones hacia detectores de neutrinos cada vez mayores — desde JUNO, pasando por DUNE, hasta Hyper-Kamiokande.
El neutrino es la partícula más ligera, la más frecuente y la más singular del modelo. Y es la única que ya ha revelado alguna vez algo que la teoría no sabía.
Términos relacionados
- Leptón — las familias de partículas
- Bosones W y Z — las partículas de fuerza
- Masa del neutrino — el punto abierto
- Mecanismo seesaw — una posible ampliación
Fuentes
- Particle Data Group: Review of Particle Physics, sección Standard Model.
- Colaboraciones ATLAS y CMS: detección del bosón de Higgs, Physics Letters B 716 (2012).