Model estàndard (Física)

A principis del segle XXI, la teoria que descriu de forma més acurada el comportament de la matèria i de l'energia, si exceptuam la gravitació, és el model estàndard de la física de partícules. Aquesta teoria explica mitjançant la interacció de les partícules de matèria, els fermions, i els quanta d'energia, els bosons vectorials intermedis, (a vegades entre partícules de la mateixa classe, i a vegades, amb interaccions entre fermions, i bosons) tots els fenòmens de la física, si exceptuam la gravitació, com ja s'ha dit abans.

El model estàndard de la física de partícules

Si bé el model estàndard de la física necessita una ampliació, car no explica la gravetat, els seus postulats permeten descriure totes les dades recollides pels físics de partícules.

Partícules de matèria: Fermions

Es diuen fermions per que compleixen l'estadística de Fermi-Dirac, i per tant al principi d'exclusió de Pauli, segons el qual dos fermions idèntics no poden ocupar el mateix estat quàntic al mateix temps.

Els fermions tenen espín 1/2.

Segons el model estàndard, las partícules fonamentals de la matèria ordinària son l'electró, el quark amunt (u, de l'anglès up), i el quark avall (d, de l'anglès down). Tres quarks formen el protó (uud), i el neutró (udd), inclosos dins la família de partícules subatòmiques anomenades barions. Aquestes dues partícules componen els àtoms (unides pels gluons, que son bosons, com es vorà mes avall). L'electró, i els quarks amunt, i avall, juntament amb el neutrí electrònic, formen el primer de tres grups de partícules, o generacions. Les partícules de les diferents generacions son idèntiques, excepte en la massa.

Partícules transmissores de força: bosons

Obeeixen a la estadística de Bose-Einstein, i no estan subjectes al principi d'exclusió de Pauli.

Els bosons tenen espín enter.

El model estàndard descriu tres forces, de les quatre conegudes: l'electromagnetisme, la força feble (que participa a la formació dels elements químics), i la força nuclear forta (que manté units els protons, neutrons, i nuclis atòmics). Les forces actuen per mitjà de partícules transmissores: per l'electromagnetisme és el fotó; els bosons W, i Z per a la força feble; i els gluons per a la força nuclear forta. Els gravitons produirien la gravitació, però no estan dins el model estàndard (perquè no han estat detectats, i perquè la teoria en vigor per explicar la gravetat és la teoria de la relativitat general, que fins al dia d'avui resta incompatible amb el model estàndard, al menys pel que fa a la explicació de la força de la gravetat). El model estàndard unifica parcialment les forces electromagnètica i dèbil només a altes energies, dit d'una altra manera, a distàncies inferiors al diàmetre del protó, en l'anomenada força electrodèbil.

Validesa del model estàndard

Un dels majors èxits del model estandard és que determina l'estructura detallada de les equacions que descriuen les forces, no de manera ad hoc, que només volgués explicar les dades empíriques, sinó també per medi de principis generals continguts a la pròpia teoria. Així per l'electromagnetisme, per posar un exemple, la validesa de la teoria de camps quàntics, bassada en la teoria de la relativitat general, i en la que es bassa el model estàndard, i l'existència del electró, implica que ha d'existir el fotó, i interaccionar tal com ho fa: d'aquesta manera comprenem per fi la llum. Arguments similars predigueren l'existència, i propietats, confirmades més tard, dels gluons, i dels bosons de la força dèbil.

A més de les partícules esmentades el model estàndard prediu l'existència del bosó de Higgs, encara no detectat directament als experiments. Aquesta partícula interaccionaria amb les demés per produir la massa.

Pareix que el model estàndard no pot ser superat per un model on el quarks, i els electrons, estiguessen composts de partícules més fonamentals. Si bé no s'han sondejat els experiments amb major profunditat, fins ara no s'han trobat rastres d'elements addicionals. A més el model estàndard no tindria sentit si els electrons i els quarks no son fonamentals. Les forces tenen tendència a unificar-se a altes energies. Si la supersimetria és real, els electrons, i els quarks, no es poden composar d'altres partícules, per que la teoria de camps quàntics relativistes suposa que son puntuals, sens estructura. Pot ser haurien de ser considerats petites cordes, o membranes, (teoria de cordes), però seguirien tenint les propietats concedides pel model estàndard a baixes energies.

Taula resum

**Fermions (levògirs) en el Model Estàndard**
Fermió	Símbol	Càrrega elèctrica	Càrrega dèbil*	Isosopín dèbil	Hipercàrrega	Càrrega de color*	Massa
1a generació
Electró	$e$	-1	$\bold{2}$	-1/2	-1/2	$\bold{1}$	0,511 MeV
Neutrí electrònic	$\nu_e$	0	$\bold{2}$	+1/2	-1/2	$\bold{1}$	< 50 eV
Positró	$e^c$	1	$\bold{1}$	0	1	$\bold{1}$	0,511 MeV
Antineutrí electrònic	$\nu_e^c$	0	$\bold{1}$	0	0	$\bold{1}$	< 50 eV
Quark Up	$u$	+2/3	$\bold{2}$	+1/2	+1/6	$\bold{3}$	~5 MeV
Quark Down	$d$	-1/3	$\bold{2}$	-1/2	+1/6	$\bold{3}$	~10 MeV
Antiquark anti-up	$u^c$	-2/3	$\bold{1}$	0	-2/3	$\bold{\bar{3}}$	~5 MeV
Antiquark anti-down	$d^c$	+1/3	$\bold{1}$	0	+1/3	$\bold{\bar{3}}$	~10 MeV
2a generació
Muó	$\mu$	-1	$\bold{2}$	-1/2	-1/2	$\bold{1}$	105,6 MeV
Neutrí muònic	$\nu_\mu$	0	$\bold{2}$	+1/2	-1/2	$\bold{1}$	< 0,5 MeV
Antimuó	$\mu^c$	1	$\bold{1}$	0	1	$\bold{1}$	105,6 MeV
Antineutrí muònic	$\nu_\mu^c$	0	$\bold{1}$	0	0	$\bold{1}$	< 0,5 MeV
Quark Charm	$c$	+2/3	$\bold{2}$	+1/2	+1/6	$\bold{3}$	~1,5 GeV
Quark Strange	$s$	-1/3	$\bold{2}$	-1/2	+1/6	$\bold{3}$	~100 MeV
Antiquark anti-charm	$c^c$	-2/3	$\bold{1}$	0	-2/3	$\bold{\bar{3}}$	~1,5 GeV
Antiquark anti-strange	$s^c$	+1/3	$\bold{1}$	0	+1/3	$\bold{\bar{3}}$	~100 MeV
3a generació
Tauó	$\tau$	-1	$\bold{2}$	-1/2	-1/2	$\bold{1}$	1,784 GeV
Neutrí tauònic	$\nu_\tau$	0	$\bold{2}$	+1/2	-1/2	$\bold{1}$	< 70 MeV
Antitauó	$\tau^c$	1	$\bold{1}$	0	1	$\bold{1}$	1,784 GeV
Antineutrino tauònic	$\nu_\tau^c$	0	$\bold{1}$	0	0	$\bold{1}$	< 70 MeV
Quark Top	$t$	+2/3	$\bold{2}$	+1/2	+1/6	$\bold{3}$	173 GeV
Quark Bottom	$b$	-1/3	$\bold{2}$	-1/2	+1/6	$\bold{3}$	~4,7 GeV
Antiquark anti-top	$t^c$	-2/3	$\bold{1}$	0	-2/3	$\bold{\bar{3}}$	173 GeV
Antiquark anti-bottom	$b^c$	+1/3	$\bold{1}$	0	+1/3	$\bold{\bar{3}}$	~4,7 GeV
* - No són les càrregues ordinàries (abelianes), que es poden sumar, sinó les etiquetes de les representacions dels grups de Lie corresponents.

Enllaços externs

Web sobre el model estàndard