Modelo estandar

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Teoría de fuerzas y partículas subatómicas

El modelo estándar de la física de partículas es la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas (interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes, excluyendo la gravedad) en el universo y clasifica todas las partículas elementales conocidas. Se desarrolló en etapas a lo largo de la segunda mitad del siglo XX, a través del trabajo de muchos científicos en todo el mundo, y la formulación actual se finalizó a mediados de la década de 1970 tras la confirmación experimental de la existencia de quarks. Desde entonces, la prueba del quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012) han agregado más credibilidad al modelo estándar. Además, el Modelo Estándar ha predicho varias propiedades de las corrientes neutras débiles y los bosones W y Z con gran precisión.

Aunque se cree que el modelo estándar es teóricamente autoconsistente y ha demostrado grandes éxitos al proporcionar predicciones experimentales, deja algunos fenómenos sin explicar. No llega a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales. Por ejemplo, no explica completamente la asimetría bariónica, no incorpora la teoría completa de la gravitación como la describe la relatividad general, ni explica la expansión acelerada del universo como posiblemente la describe la energía oscura. El modelo no contiene ninguna partícula viable de materia oscura que posea todas las propiedades requeridas deducidas de la cosmología observacional. Tampoco incorpora oscilaciones de neutrinos y sus masas distintas de cero.

El desarrollo del modelo estándar fue impulsado por físicos de partículas tanto teóricos como experimentales. El modelo estándar es un paradigma de una teoría cuántica de campos para teóricos, que exhibe una amplia gama de fenómenos, que incluyen ruptura de simetría espontánea, anomalías y comportamiento no perturbativo. Se utiliza como base para construir modelos más exóticos que incorporan partículas hipotéticas, dimensiones adicionales y simetrías elaboradas (como la supersimetría) para explicar resultados experimentales que difieren del modelo estándar, como la existencia de materia oscura y oscilaciones de neutrinos.

Antecedentes históricos

En 1954, Yang Chen-Ning y Robert Mills ampliaron el concepto de teoría de calibre para grupos abelianos, p. electrodinámica cuántica, a grupos no abelianos para proporcionar una explicación de las interacciones fuertes. En 1957, Chien-Shiung Wu demostró que la paridad no se conservaba en la interacción débil. En 1961, Sheldon Glashow combinó las interacciones electromagnética y débil. En 1967, Steven Weinberg y Abdus Salam incorporaron el mecanismo de Higgs en la interacción electrodébil de Glashow, dándole su forma moderna.

Se cree que el mecanismo de Higgs da lugar a las masas de todas las partículas elementales en el modelo estándar. Esto incluye las masas de los bosones W y Z, y las masas de los fermiones, es decir, los quarks y los leptones.

Después de que el CERN descubriera las corrientes débiles neutras causadas por el intercambio de bosones Z en 1973, la teoría electrodébil se aceptó ampliamente y Glashow, Salam y Weinberg compartieron el Premio Nobel de Física de 1979 por descubrirla. Los bosones W^± y Z⁰ fueron descubiertos experimentalmente en 1983; y se encontró que la proporción de sus masas era la predicha por el modelo estándar.

La teoría de la interacción fuerte (es decir, la cromodinámica cuántica, QCD), a la que muchos contribuyeron, adquirió su forma moderna en 1973-1974 cuando se propuso la libertad asintótica (un desarrollo que hizo de la QCD el foco principal de la investigación teórica) y los experimentos confirmó que los hadrones estaban compuestos de quarks con carga fraccionada.

El término "Modelo estándar" fue acuñado por primera vez por Abraham Pais y Sam Treiman en 1975, con referencia a la teoría electrodébil con cuatro quarks. Según Steven Weinberg, se le ocurrió el término y lo usó en 1973 durante una charla en Aix-en-Provence en Francia.

Contenido de partículas

El modelo estándar incluye miembros de varias clases de partículas elementales, que a su vez se pueden distinguir por otras características, como la carga de color.

Todas las partículas se pueden resumir de la siguiente manera:

Partículas elementales

Abonos elementalesEspejo medio enteroObedezca las estadísticas de Fermi-Dirac

Bosons elementalesFlete enteroObedezca las estadísticas de Bose-Einstein

Quarks and antiquarksEspina = 12Tener carga de colorParticipar en fuertes interacciones

Leptons and antileptonsEspina = 12Sin cargo de colorInteracciones electroweak

Gauge bosonsEspina = 1Transportadores de fuerzas

Scalar bosonsEspina = 0

Tres generaciones

Arriba (u),
Abajo d)
Charm (c),
Extraño (s)
Top (t),
Tema b)

Tres generaciones

Electron
e⁻
),^[†]
Electron neutrino $. e$ )
Muón
μ⁻
),
Muon neutrino $. μ$ )
Tau
τ⁻
),
Tau neutrino $. τ$ )

Cuatro tipos

Foton
()
γ
; interacción electromagnética)
W y Z bosons
()
W⁺
,
W⁻
,
Z
; débil interacción)
Ocho tipos de gluones
()
g
; fuerte interacción)

Única

Higgs boson
H⁰
)

Notas:
[†] Un anti-electrón (
e ⁺
) se denomina convencionalmente "positrón".

Fermiones

El modelo estándar incluye 12 partículas elementales de espín 1⁄2, conocidos como fermiones. Según el teorema de la estadística de espín, los fermiones respetan el principio de exclusión de Pauli. Cada fermión tiene una antipartícula correspondiente.

Los fermiones se clasifican según cómo interactúan (o, de manera equivalente, según las cargas que llevan). Hay seis quarks (arriba, abajo, encanto, extraño, arriba, abajo) y seis leptones (electrón, neutrino electrónico, muón, neutrino muón, tau, neutrino tau). Cada clase se divide en pares de partículas que exhiben un comportamiento físico similar llamado generación (ver la tabla).

La propiedad definitoria de los quarks es que llevan carga de color y, por lo tanto, interactúan a través de la interacción fuerte. El fenómeno del confinamiento de color da como resultado que los quarks estén muy fuertemente unidos entre sí, formando partículas compuestas de color neutro llamadas hadrones que contienen un quark y un antiquark (mesones) o tres quarks (bariones). Los bariones más ligeros son el protón y el neutrón. Los quarks también llevan carga eléctrica e isospin débil. Por lo tanto, interactúan con otros fermiones a través del electromagnetismo y la interacción débil. Los seis fermiones restantes no tienen carga de color y se denominan leptones. Los tres neutrinos tampoco llevan carga eléctrica, por lo que su movimiento está directamente influido únicamente por la fuerza nuclear débil y la gravedad, lo que los hace notoriamente difíciles de detectar. Por el contrario, en virtud de llevar una carga eléctrica, el electrón, el muón y el tau interactúan electromagnéticamente.

Cada miembro de una generación tiene mayor masa que la partícula correspondiente de cualquier generación anterior. Las partículas cargadas de primera generación no se descomponen, por lo que toda la materia ordinaria (bariónica) está formada por tales partículas. Específicamente, todos los átomos consisten en electrones que orbitan alrededor de núcleos atómicos, constituidos en última instancia por quarks arriba y abajo. Por otro lado, las partículas cargadas de segunda y tercera generación se desintegran con vidas medias muy cortas y se observan solo en entornos de muy alta energía. Los neutrinos de todas las generaciones tampoco se descomponen y penetran el universo, pero rara vez interactúan con la materia bariónica.

Bosones de calibre

Interacciones en el Modelo Estándar. Todos los diagramas Feynman en el modelo se construyen a partir de combinaciones de estos vértices. q es cualquier quark, g es un gluón, X es cualquier partícula cargada, γ es un fotón, f es cualquier fermión, m es cualquier partícula con masa (con la posible excepción de los neutrinos), m_B es cualquier bosón con masa. En diagramas con múltiples etiquetas de partículas separadas por / una etiqueta de partícula se elige. En los diagramas con etiquetas de partículas separadas por ← las etiquetas deben ser elegidas en el mismo orden. Por ejemplo, en el caso de cuatro boson electroweak los diagramas válidos son WWWW, WWZZZ, WWγγ, WWZγ. También se permite el conjugado de cada vértice listado (reversando la dirección de las flechas).

En el modelo estándar, los bosones de calibre se definen como portadores de fuerza que median en las interacciones fundamentales fuertes, débiles y electromagnéticas.

Las interacciones en física son las formas en que las partículas influyen en otras partículas. A nivel macroscópico, el electromagnetismo permite que las partículas interactúen entre sí a través de campos eléctricos y magnéticos, y la gravitación permite que las partículas con masa se atraigan entre sí de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein. El modelo estándar explica tales fuerzas como resultado del intercambio de partículas de materia con otras partículas, generalmente denominadas partículas mediadoras de fuerza. Cuando se intercambia una partícula mediadora de fuerza, el efecto a nivel macroscópico es equivalente a una fuerza que influye en ambas, y por lo tanto se dice que la partícula ha mediado (es decir, ha sido el agente de) esa fuerza. Los cálculos del diagrama de Feynman, que son una representación gráfica de la aproximación de la teoría de la perturbación, invocan "partículas mediadoras de fuerza" y, cuando se aplican para analizar experimentos de dispersión de alta energía, concuerdan razonablemente con los datos. Sin embargo, la teoría de la perturbación (y con ella el concepto de una 'partícula mediadora de fuerza') falla en otras situaciones. Estos incluyen cromodinámica cuántica de baja energía, estados ligados y solitones.

Todos los bosones de calibre del modelo estándar tienen espín (al igual que las partículas de materia). El valor del espín es 1, lo que los convierte en bosones. Como resultado, no siguen el principio de exclusión de Pauli que restringe a los fermiones: por lo tanto, los bosones (por ejemplo, los fotones) no tienen un límite teórico en su densidad espacial (número por volumen). Los tipos de bosones de calibre se describen a continuación.

Los fotones median la fuerza electromagnética entre partículas cargadas eléctricamente. El fotón es sin masa y está bien descrito por la teoría de la electrodinámica cuántica.
Los bosones W+, W− y Z gauge median las interacciones débiles entre las partículas de diferentes sabores (todos los quarks y los leptones). Son enormes, con el
Z
ser más masivo que el
W^±
. Las débiles interacciones que involucran a los
W^±
actuar sólo en partículas zurdas y antipartículas derechas. El
W^±
Lleva una carga eléctrica de +1 y −1 y parejas a la interacción electromagnética. El neutral eléctrico
Z
boson interactúa con partículas zurdas y antipartículas derechas. Estos tres bosones de calibre junto con los fotones se agrupan juntos, como mediando colectivamente la interacción electroweak.
Los ocho gluones median las fuertes interacciones entre partículas cargadas de color (los quarks). Los glones son sin masa. La octava multiplicidad de gluones está etiquetada por una combinación de color y carga anticolor (por ejemplo, rojo-antigreen). Debido a que los gluones tienen una carga de color efectiva, también pueden interactuar entre ellos. Los glones y sus interacciones se describen por la teoría de la cromodinámica cuántica.

Las interacciones entre todas las partículas descritas por el modelo estándar se resumen en los diagramas a la derecha de esta sección.

Bosón de Higgs

La partícula de Higgs es una partícula elemental escalar masiva teorizada por Peter Higgs en 1964, cuando demostró que el teorema de Goldstone de 1962 (simetría continua genérica, que se rompe espontáneamente) proporciona una tercera polarización de un campo vectorial masivo. Por lo tanto, el doblete escalar original de Goldstone, la partícula masiva de espín cero, se propuso como el bosón de Higgs y es un elemento clave en el modelo estándar. No tiene espín intrínseco, y por esa razón se clasifica como un bosón (como los bosones de norma, que tienen espín entero).

El bosón de Higgs juega un papel único en el modelo estándar, al explicar por qué las otras partículas elementales, excepto el fotón y el gluón, son masivas. En particular, el bosón de Higgs explica por qué el fotón no tiene masa, mientras que los bosones W y Z son muy pesados. Las masas de las partículas elementales y las diferencias entre el electromagnetismo (mediado por el fotón) y la fuerza débil (mediada por los bosones W y Z) son fundamentales para muchos aspectos de la estructura de la materia microscópica (y, por tanto, macroscópica). En la teoría electrodébil, el bosón de Higgs genera las masas de los leptones (electrones, muones y tau) y quarks. Como el bosón de Higgs es masivo, debe interactuar consigo mismo.

Debido a que el bosón de Higgs es una partícula muy masiva y también se desintegra casi inmediatamente cuando se crea, solo un acelerador de partículas de muy alta energía puede observarlo y registrarlo. Los experimentos para confirmar y determinar la naturaleza del bosón de Higgs usando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN comenzaron a principios de 2010 y se realizaron en el Tevatron de Fermilab hasta su cierre a fines de 2011. La consistencia matemática del modelo estándar requiere que cualquier mecanismo capaz de generar las masas de las partículas elementales debe volverse visible a energías superiores a 1,4 TeV; por lo tanto, el LHC (diseñado para colisionar dos 7 TeV haces de protones) fue construido para responder a la pregunta de si el bosón de Higgs realmente existe.

El 4 de julio de 2012, dos de los experimentos en el LHC (ATLAS y CMS) informaron de forma independiente que habían encontrado una nueva partícula con una masa de aproximadamente 125 GeV/c2 (aproximadamente 133 masas de protones, del orden de 10×10⁻²⁵ kg), que es & #34;consistente con el bosón de Higgs". El 13 de marzo de 2013, se confirmó que era el bosón de Higgs buscado.

Aspectos teóricos

Construcción del Modelo Estándar Lagrangiano

Parámetros del Modelo Estándar
#	Signatura	Descripción	Renormalización (punto)	Valor
1	m_e	Masa de electrones		0.511 MeV
2	m_μ	Masa de muones		105.7 MeV
3	m_τ	Masa Tau		1.78 GeV
4	m_u	Masa de quark	μ_MS = 2 GeV	1.9 MeV
5	m_d	Masa de quark	μ_MS = 2 GeV	4.4 MeV
6	m_s	Extraña masa de quark	μ_MS = 2 GeV	87 MeV
7	m_c	Charm quark mass	μ_MS = m_c	1.32 GeV
8	m_b	Masa de quark inferior	μ_MS = m_b	4.24 GeV
9	m_t	Top quark mass	On shell scheme	173.5 GeV
10	Silencio₁₂	Ángulo de mezcla CKM 12		13.1°
11	Silencio₂₃	Ángulo de mezcla CKM 23		2.4°
12	Silencio₁₃	Ángulo de mezcla CKM 13		0,2°
13	δ	CKM CP violation Fase		0.995
14	g₁ o g'	Acoplamiento de calibre U(1)	μ_MS = m_Z	0.357
15	g₂ o g	Acoplamiento de calibre SU(2)	μ_MS = m_Z	0.652
16	g₃ o g_s	SU(3) medidor de acoplamiento	μ_MS = m_Z	1.221
17	Silencio_QCD	QCD ángulo de vacío		~0
18	v	Valor de expectativa de vacío Higgs		246 GeV
19	m_H	Masa de Higgs		125.09±0.24 GeV

Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el modelo estándar, en el que un lagrangiano controla la dinámica y la cinemática de la teoría. Cada tipo de partícula se describe en términos de un campo dinámico que impregna el espacio-tiempo. La construcción del Modelo Estándar procede siguiendo el método moderno de construcción de la mayoría de las teorías de campo: primero postulando un conjunto de simetrías del sistema y luego escribiendo el Lagrangiano renormalizable más general a partir de su contenido de partículas (campo) que observa estas simetrías.

La simetría global de Poincaré se postula para todas las teorías cuánticas relativistas de campos. Consiste en la simetría traslacional familiar, la simetría rotacional y la invariancia del marco de referencia inercial central para la teoría de la relatividad especial. La simetría de calibre local SU(3)×SU(2)×U(1) es una simetría interna que define esencialmente el modelo estándar. Aproximadamente, los tres factores de la simetría de calibre dan lugar a las tres interacciones fundamentales. Los campos caen en diferentes representaciones de los diversos grupos de simetría del modelo estándar (ver tabla). Al escribir el Lagrangiano más general, se encuentra que la dinámica depende de 19 parámetros, cuyos valores numéricos se establecen experimentalmente. Los parámetros se resumen en la tabla (que se hace visible al hacer clic en "mostrar") arriba.

Sector de cromodinámica cuántica

El sector de la cromodinámica cuántica (QCD) define las interacciones entre quarks y gluones, que es una teoría de norma de Yang-Mills con simetría SU(3), generada por $T a$ . Dado que los leptones no interactúan con los gluones, no se ven afectados por este sector. El Lagrangiano de Dirac de los quarks acoplados a los campos de gluones viene dado por

{displaystyle {mathcal {L}}_{text{QCD}}=sum _{psi }{overline {psi }}_{i}left(igamma ^{mu }(partial _{mu }delta _{ij}-ig_{s}G_{mu }^{a}T_{ij}^{a})right)psi _{j}-{frac {1}{4}}G_{mu nu }^{a}G_{a}^{mu nu },}

$↑ i$ es la columna Dirac del campo de quark, donde i = {r, g, b} representa el color,
$γ μ$ son las matrices Dirac,
$G a μ$ es el 8-componente ( ${displaystyle a=1,2,dots8}$ SU(3) campo de calibre,
$T a ij$ son las matrices 3 × 3 Gell-Mann, generadores del grupo de color SU(3),
$G a μ$ representa el tensor de fuerza de campo de gluón,
$g s$ es la fuerte constante de acoplamiento.

Sector electrodébil

El sector electrodébil es una teoría de norma de Yang-Mills con el grupo de simetría U(1)×SU(2)_L,

{displaystyle {mathcal {L}}_{text{EW}}=sum _{psi }{bar {psi }}gamma ^{mu }left(ipartial _{mu }-g'{tfrac {1}{2}}Y_{text{W}}B_{mu }-g{tfrac {1}{2}}{vec {tau }}_{text{L}}{vec {W}}_{mu }right)psi -{tfrac {1}{4}}W_{a}^{mu nu }W_{mu nu }^{a}-{tfrac {1}{4}}B^{mu nu }B_{mu nu },}

$B μ$ es el campo de calibre U(1),
$Y W$ es la hipercarga débil – el generador del grupo U(1),
$W \to μ$ es el campo de calibre SU(2) de 3 componentes,
$τ L \to$ son las matrices Pauli – generadores infinitesimal del grupo SU(2) – con el subscript L para indicar que sólo actúan en izquierda- fermions chiral,
$g '$ y $g$ son las constantes de acoplamiento U(1) y SU(2) respectivamente,
$W^{amunu}$ () ${displaystyle a=1,2,3}$ ) y $B^{munu}$ son los tensores de fuerza de campo para el isospin débil y los campos de hipercarga débil.

Observe que la adición de términos de masa de fermión en el electroweak Lagrangian está prohibida, ya que términos de la forma $moverline psi psi$ no respeta U(1) × SU(2)_L Invariancia de calibre. Tampoco es posible añadir términos de masa explícitos para los campos U(1) y SU(2). El mecanismo Higgs es responsable de la generación de las masas bosónicas de calibre, y las masas de fermión resultan de interacciones tipo Yukawa con el campo Higgs.

Sector de Higgs

En el Modelo Estándar, el campo de Higgs es un escalar complejo del grupo SU(2)_L:

{displaystyle varphi ={frac {1}{sqrt {2}}}{begin{pmatrix}varphi ^{+}\varphi ^{0}end{pmatrix}},}

Q

Y W

Antes de romperse la simetría, el Lagrangiano de Higgs es

{displaystyle {mathcal {L}}_{text{H}}=varphi ^{dagger }left(partial ^{mu }-{frac {i}{2}}left(g'Y_{text{W}}B^{mu }+g{vec {tau }}{vec {W}}^{mu }right)right)left(partial _{mu }+{frac {i}{2}}left(g'Y_{text{W}}B_{mu }+g{vec {tau }}{vec {W}}_{mu }right)right)varphi -{frac {lambda ^{2}}{4}}left(varphi ^{dagger }varphi -v^{2}right)^{2},}

{displaystyle {mathcal {L}}_{text{H}}=left|left(partial _{mu }+{frac {i}{2}}left(g'Y_{text{W}}B_{mu }+g{vec {tau }}{vec {W}}_{mu }right)right)varphi right|^{2}-{frac {lambda ^{2}}{4}}left(varphi ^{dagger }varphi -v^{2}right)^{2}.}

La fuerza de autoacoplamiento de Higgs $λ$ es aproximadamente 1⁄8. Esto no está incluido en la tabla anterior porque se puede derivar de la masa (después de romper la simetría) y el valor esperado de vacío.

Sector Yukawa

Los términos de interacción de Yukawa son

{displaystyle {mathcal {L}}_{text{Yukawa}}={overline {U}}_{rm {L}}G_{rm {u}}U_{rm {R}}varphi ^{0}-{overline {D}}_{rm {L}}G_{rm {u}}U_{rm {R}}varphi ^{-}+{overline {U}}_{rm {L}}G_{rm {d}}D_{rm {R}}varphi ^{+}+{overline {D}}_{rm {L}}G_{rm {d}}D_{rm {R}}varphi ^{0}+mathrm {h.c.}}

donde $G u,d$ son $3\times3$ matrices de acoplamientos de Yukawa, con el término $ij$ dando el acoplamiento de las generaciones $i$ y $j$ , y h.c. significa el conjugado hermitiano de los términos anteriores.

Interacciones fundamentales

El modelo estándar describe tres de las cuatro interacciones fundamentales en la naturaleza; sólo la gravedad permanece sin explicación. En el Modelo Estándar, tal interacción se describe como un intercambio de bosones entre los objetos afectados, como un fotón para la fuerza electromagnética y un gluón para la interacción fuerte. Esas partículas se llaman portadores de fuerza o partículas mensajeras.

**Las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza**
Propiedad/Interacción	Gravitación	Electroweak		Fuerte
Propiedad/Interacción	Gravitación	Weak	Electromagnético	Fundamental	Residual
Partículas mediadoras	Aún no se ha observado (Hipótesis de Graham)	W+, W− y Z0	γ (fotón)	Gluones	π, ρ y ω mesons
Partículas afectadas	Todas las partículas	Fermions zurdos	Carga eléctrica	Quarks, gluones	Hadrones
Actos sobre	Tensor de energía de estrés	Flavour	Cargo eléctrico	Carga de color
estados de linaje formados	Planetas, estrellas, galaxias, grupos de galaxias	—	átomos, moléculas	Hadrones	núcleos atómicos
Fuerza en la escala de quarks (relativo al electromagnetismo)	10⁻⁴¹ (predecidos)	10⁻⁴	1	60	No aplicable a quarks
Fuerza en la escala protones/neutrones (relativo al electromagnetismo)	10⁻³⁶ (predecidos)	10⁻⁷	1	No aplicable to hadrons	20

Gravedad

A pesar de ser quizás la interacción fundamental más conocida, el modelo estándar no describe la gravedad debido a las contradicciones que surgen al combinar la relatividad general, la teoría moderna de la gravedad y la mecánica cuántica. Sin embargo, la gravedad es tan débil a escalas microscópicas que es esencialmente inmedible. El gravitón se postula como la partícula mediadora.

Electromagnetismo

El electromagnetismo es la única fuerza de largo alcance en el modelo estándar. Está mediada por fotones y se acopla a la carga eléctrica. El electromagnetismo es responsable de una amplia gama de fenómenos, incluida la estructura de la capa de electrones atómicos, los enlaces químicos, los circuitos eléctricos y la electrónica. Las interacciones electromagnéticas en el modelo estándar se describen mediante electrodinámica cuántica.

Fuerza nuclear débil

La interacción débil es responsable de varias formas de desintegración de partículas, como la desintegración beta. Es débil y de corto alcance, debido al hecho de que las partículas mediadoras débiles, los bosones W y Z, tienen masa. Los bosones W tienen carga eléctrica y median interacciones que cambian el tipo de partícula (conocido como sabor) y la carga. Las interacciones mediadas por bosones W son interacciones de corriente cargada. Los bosones Z son neutrales y median interacciones de corriente neutra, que no cambian el sabor de las partículas. Por lo tanto, los bosones Z son similares al fotón, además de ser masivos e interactuar con el neutrino. La interacción débil es también la única interacción que viola la paridad y el CP. La violación de la paridad es máxima para interacciones de corriente cargada, ya que el bosón W interactúa exclusivamente con fermiones zurdos y antifermiones diestros.

En el Modelo Estándar, la fuerza débil se entiende en términos de la teoría electrodébil, que establece que las interacciones débil y electromagnética se unen en una única interacción electrodébil a altas energías.

Fuerza nuclear fuerte

La fuerza nuclear fuerte es responsable de la unión hadrónica y nuclear. Está mediada por gluones, que se acoplan a la carga de color. Dado que los propios gluones tienen carga de color, la fuerza fuerte exhibe confinamiento y libertad asintótica. El confinamiento significa que solo las partículas de color neutro pueden existir aisladas, por lo tanto, los quarks solo pueden existir en hadrones y nunca de forma aislada, a bajas energías. La libertad asintótica significa que la fuerza fuerte se vuelve más débil a medida que aumenta la escala de energía. La fuerza fuerte domina la repulsión electrostática de protones y quarks en núcleos y hadrones respectivamente, en sus respectivas escalas.

Mientras que los quarks están unidos en hadrones por la interacción fuerte fundamental, que está mediada por gluones, los nucleones están unidos por un fenómeno emergente denominado fuerza fuerte residual o fuerza nuclear. Esta interacción está mediada por mesones, como el pión. Las cargas de color dentro del nucleón se anulan, lo que significa que la mayoría de los campos de gluones y quarks se anulan fuera del nucleón. Sin embargo, se 'filtra' algún residuo, que aparece como el intercambio de mesones virtuales, que provoca la fuerza de atracción entre los nucleones. La interacción fuerte (fundamental) se describe mediante la cromodinámica cuántica, que es un componente del modelo estándar.

Pruebas y predicciones

El modelo estándar predijo la existencia de los bosones W y Z, el gluón, el quark top y el quark charm, y predijo muchas de sus propiedades antes de que se observaran estas partículas. Las predicciones fueron confirmadas experimentalmente con buena precisión.

El modelo estándar también predijo la existencia del bosón de Higgs, que se encontró en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones, la última partícula fundamental predicha por el modelo estándar para ser confirmada experimentalmente.

Desafíos

Problema no resuelto en la física:

¿Qué da lugar al modelo estándar de la física de partículas?
¿Por qué las masas de partículas y las constantes de acoplamiento tienen los valores que midemos?
¿Por qué hay tres generaciones de partículas?
¿Por qué hay más materia que antimateria en el universo?
¿Dónde encaja la materia oscura en el modelo? ¿Incluso consiste en una o más partículas nuevas?

(Problemas más no resueltos en física)

La autoconsistencia del modelo estándar (actualmente formulado como una teoría de calibre no abeliana cuantificada a través de integrales de ruta) no se ha probado matemáticamente. Si bien existen versiones regularizadas útiles para cálculos aproximados (por ejemplo, la teoría de calibre de celosía), no se sabe si convergen (en el sentido de elementos de matriz S) en el límite en el que se elimina el regulador. Una pregunta clave relacionada con la consistencia es la existencia de Yang-Mills y el problema de la brecha de masa.

Los experimentos indican que los neutrinos tienen masa, lo que el modelo estándar clásico no permitía. Para adaptarse a este hallazgo, el modelo estándar clásico se puede modificar para incluir la masa de neutrinos.

Si uno insiste en usar solo partículas del modelo estándar, esto se puede lograr agregando una interacción no renormalizable de leptones con el bosón de Higgs. En un nivel fundamental, tal interacción surge en el mecanismo de balancín donde se agregan a la teoría los neutrinos dextrógiros pesados. Esto es natural en la extensión simétrica izquierda-derecha del Modelo Estándar y en ciertas grandes teorías unificadas. Siempre que la nueva física aparezca por debajo o alrededor de 10¹⁴ GeV, las masas de los neutrinos pueden ser del orden correcto de magnitud.

La investigación teórica y experimental ha intentado extender el modelo estándar a una teoría del campo unificado o una teoría del todo, una teoría completa que explica todos los fenómenos físicos, incluidas las constantes. Las insuficiencias del modelo estándar que motivan dicha investigación incluyen:

El modelo no explica la gravedad, aunque la confirmación física de una partícula teórica conocida como graviton lo explicaría en cierto grado. Aunque aborda las interacciones fuertes y electroweak, el Modelo Estándar no explica consistentemente la teoría canónica de la gravedad, la relatividad general, en términos de la teoría del campo cuántico. La razón de esto es, entre otras cosas, que las teorías del campo cuántico de la gravedad generalmente se descomponen antes de alcanzar la escala Planck. Como consecuencia, no tenemos una teoría confiable para el universo muy temprano.
Algunos físicos lo consideran ad hoc e inelegante, que requiere 19 constantes numéricas cuyos valores no están relacionados y arbitrarios. Aunque el Modelo Estándar, como está ahora, puede explicar por qué los neutrinos tienen masas, los detalles de la masa neutrino todavía no están claros. Se cree que la explicación de la masa neutrino requerirá 7 o 8 constantes adicionales, que también son parámetros arbitrarios.
El mecanismo Higgs da lugar al problema jerárquico si alguna nueva física (conformada con los Higgs) está presente en altas escalas energéticas. En estos casos, para que la escala débil sea mucho más pequeña que la escala Planck, es necesario ajustar severamente los parámetros; hay, sin embargo, otros escenarios que incluyen la gravedad cuántica en los que se puede evitar tal ajuste fino. También hay cuestiones de trivialidad cuántica, lo que sugiere que puede no ser posible crear una teoría de campo cuántica consistente con partículas de escalar elemental.
El modelo es inconsistente con el nuevo modelo de cosmología Lambda-CDM. Las imágenes incluyen la ausencia de una explicación en el Modelo Estándar de la física de partículas para la cantidad observada de materia oscura fría (MDL) y sus contribuciones a la energía oscura, que son muchas órdenes de magnitud demasiado grande. También es difícil dar cabida al predominio observado de la materia sobre la antimateria (materia/antimista asimetría). La isotropía y homogeneidad del universo visible a grandes distancias parece requerir un mecanismo como la inflación cósmica, que también constituiría una extensión del Modelo Estándar.

Actualmente, ninguna teoría propuesta del todo ha sido ampliamente aceptada o verificada.

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