Presentaci

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EL MODELO
ESTANDAR
DE LA FISICA ACTUAL
JAVIER DE LUCAS
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Descubierto por C.N.Yang y su discípulo R.L.Mills
en 1954, el Campo de Yang-Mills es una
generalización del Campo de Maxwell, introducido
un siglo antes por James Clerck Maxwell, el
precursor de las Teorías de Campos. Veinte años
después de que fuera propuesto el Campo de
Yang-Mills, Gerardus t Hooft demostró que es una
Teoría perfectamente definida de interacciones
entre partículas. Hoy, el Campo de Yang-Mills ha
hecho posible una Teoría Global de toda la
materia, que se conoce como Modelo Estándar
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El Modelo Estándar de la Física de partículas es
una Teoría que describe tres de las cuatro
interacciones fundamentales conocidas
(Electromagnética, Nuclear Fuerte y Nuclear
Débil) entre partículas elementales que componen
toda la materia. Es una Teoría Cuántica de
Campos que es consistente con la Mecánica
Cuántica y la Relatividad Especial. Hasta la
fecha, casi todas las pruebas experimentales de
las tres fuerzas descritas por el Modelo Estándar
están de acuerdo con sus predicciones
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El Universo puede explicarse a partir de
12 leptones
3 bosones W,W-, Z
36 quarks
8 gluones
1 fotón
...y 1 o más bosones de Higgs
TOTAL 61 partículas...o más.
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EL MODELO ESTANDAR NO INCLUYE LA INTERACCION
GRAVITATORIA
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El Modelo Estándar agrupa dos Teorías
importantes el Modelo Electrodébil
(Electrodinámica Cuántica) QED y la
Cromodinámica Cuántica QCD lo que proporciona
una teoría internamente consistente que describe
las interacciones entre todas las partículas
observadas experimentalmente. Técnicamente, la
teoría cuántica de campos proporciona el marco
matemático para el Modelo Estándar
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ELECTRODINAMICA CUANTICA
La Teoría de Weinberg-Salam muestra que el
electromagnetismo y la interacción débil son lo
mismo en tanto que surgen del intercambio de la
misma familia de partículas
En 1971, el físico holandés Gerard tHooft mostró
que la adición del bosón Z0 proporcionaba el tipo
justo de infinitos que eliminaban los W y W-, y
que la Teoría que incluía a los tres era
renormalizable.
El resultado final de la Teoría es reducir el
número de fuerzas fundamentales de cuatro a tres
gravedad, nuclear fuerte y electrodébil.
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CROMODINAMICA CUANTICA
Además de carga eléctrica, las partículas pueden
llevar cargas de color de tres tipos rojo,
azul y verde. Los quarks solo pueden reunirse en
conjuntos cuyo color sea blanco. La QCD
proporciona una teoría de la interacción de los
quarks que satisface el principio de simetría
gauge, lo que unifica la interacción fuerte con
la electrodébil.
La QED y la QCD se unifican a 1015 GeV
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FERMIONES PARTICULAS DE MATERIA
  Según el Modelo Estándar toda la materia
conocida esta constituida de partículas que
tienen una propiedad intrínseca llamada espín
cuyo valor es 1/2. En los términos del Modelo
Estándar todas las partículas de materia son
fermiones. Por esta razón, siguen el principio de
exclusión de Pauli de acuerdo con el teorema de
la estadística del spin, y es lo que causa su
calidad de materia. Aparte de sus
antipartículas asociadas, el Modelo Estándar
explica un total de doce tipos diversos de
partículas de materia. Seis de éstos se
clasifican como quarks (up, down, strange, charm,
top y bottom, cada uno con tres colores), y los
otros seis como leptones (electrón, muón, tau, y
sus neutrinos correspondientes), más sus
correspondientes antipartículas. En total, 48
partículas.
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Las partículas de la materia también llevan
cargas que las hacen susceptibles a las fuerzas
fundamentales. Pares de cada grupo (un quark tipo
up, un quark tipo down, un lepton tipo down y su
neutrino correspondiente) forman las familias.
Las partículas correspondientes entre cada
familia son idénticas la una a la otra, a
excepción de su masa y de su sabor.
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ELECTRON Y POSITRON
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No mucho después de descubrirse experimentalmente
que los neutrinos existen, se descubrió que no
hay un neutrino, sino tres uno asociado al
electrón y otros dos asociados a otros dos
leptones (el muón y el tauón. Cada neutrino
puede tomar parte en las reacciones nucleares en
las que aparece su leptón particular. Por lo
tanto, no basta con decir neutrino, sino que
hay que especificar existe un neutrino
electrónico, un neutrino muónico y un neutrino
tauónico. Por ejemplo, en la desintegración beta
se produce un electrón, de modo que el neutrino
que ahí toma parte tiene que ser un neutrino
electrónico. Además, el neutrino tiene una
antipartícula, el antineutrino. De hecho, hoy
sabemos que la partícula que propuso Pauli para
explicar la desintegración de un neutrón en un
protón y un electrón no es un neutrino es un
antineutrino electrónico.
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BOSONES PARTÍCULAS MEDIADORAS DE FUERZAS 
El Modelo Estándar explica las fuerzas como el
resultado del intercambio de otras partículas por
parte de las partículas de materia, conocidas
como partículas mediadoras fuerza.   Los fotones
median la fuerza electromagnética entre las
partículas eléctricamente cargadas. El fotón no
tiene masa y está descrito por la teoría de la
electrodinámica cuántica.
Los bosones de gauge W, W, y Z0 median las
interacciones nucleares débiles entre las
partículas de diversos sabores (todos los quarks
y leptones). Son masivos, con el Z0 más masivo
que los W . Estos tres bosones gauge junto con
los fotones se agrupan juntos y median
colectivamente las interacciones electrodébiles.
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Los ocho gluones median las interacciones
nucleares fuertes entre las partículas cargadas
con color (los quarks). Los gluones no tienen
masa. La multiplicidad de los gluones se etiqueta
por las combinaciones del color y de una carga de
anticolor (es decir, Rojo-anti-Verde). Como los
gluones tienen una carga efectiva de color,
pueden interactuar entre sí mismos. Los gluones y
sus interacciones se describen mediante la QCD
(Teoría de la Cromodinámica Cuántica)
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HADRONES LA MATERIA
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BARIONES
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MESONES
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El Modelo Estándar no es la teoría final. El
Modelo Estándar no incluye a la gravedad. Además,
aunque no está claro dónde están los límites,
parece probable que para energías muy grandes
(mucho mayores que las que experimentamos en la
vida cotidiana) el Modelo Estándar no es válido.
Sin embargo, estas limitaciones son conocidas
desde el principio, y el Modelo Estándar es,
conscientemente, una teoría parcial. Sin
embargo, antes incluso de que existiera el modelo
formalmente, ya se vio un problema teórico
importante. La forma más sencilla del Modelo
Estándar que podía proponerse, la que tenía el
menor número de suposiciones posibles y la mayor
sencillez matemática, era de una gran belleza y
coherencia, salvo por un pequeño problema según
la forma sencilla del modelo, todas las
partículas deberían tener masa nula y moverse,
siempre, a la velocidad de la luz. Por supuesto,
nadie supuso que la forma simple del Modelo
fuera la correcta. Es evidente que hay muchas
partículas que sí tienen masa, y que nunca se
mueven a la velocidad de la luz. De hecho, sólo
algunas no tienen masa, y son justo ésas las que
sí se mueven siempre a la velocidad de la luz. La
pregunta inmediata que se hicieron los
científicos, naturalmente, fue por qué? Si la
versión simple del modelo no funcionaba, es que
faltaba algo más una extensión al modelo, algún
tipo de mecanismo por el que pudiera deducirse la
existencia de la masa. La respuesta a este
problema fue dada por varios físicos casi al
mismo tiempo, en varios equipos y de manera
independiente, en 1964. Entre ellos se encuentran
Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnik,
C. R. Hagen, Tom Kibble y sobre todos Peter Higgs
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BOSON DE HIGGS
La masa de todas las partículas conocidas es el
nombre que damos a la intensidad de su
interacción con el campo de Higgs. El propio
concepto de masa es una forma de referirnos a
algo más profundo y fundamental la interacción
mayor o menor de cada partícula con el campo de
Higgs.
  La partícula asociada al Campo de Higgs es una
partícula elemental escalar masiva hipotética
predicha por el Modelo Estándar, y la única
partícula fundamental predicha por ese Modelo que
no se ha observado completamente hasta ahora.
Esto es en parte porque requiere una cantidad
excepcionalmente grande de energía para crearla y
observarla bajo circunstancias de laboratorio. No
tiene ningún spin intrínseco, y (como las
partículas mediadoras de fuerza) se clasifica así
como bosón. El boson de Higgs desempeña un papel
único en el Modelo Estándar, y un papel dominante
en explicar los orígenes de la masa de otras
partículas elementales, particularmente la
diferencia entre el fotón sin masa y los bosones
pesados W y Z.
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El Modelo Estándar predecía la existencia de los
bosones W y Z, el gluón, y los quarks top y charm
antes de que esas partículas hubiesen sido
observadas. Sus propiedades predichas fueron
experimentalmente confirmadas con gran
precisión. El Large Electron-Positron collider
(LEP) en el CERN probó varias predicciones entre
los decaimientos de los bosones Z, y las
confirmó. Para obtener una idea del éxito del
Modelo Estándar una comparación entre los valores
medidos y predichos de algunas cantidades se
muestran en la siguiente tabla
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RESUMEN
REQUERIMIENTOS DEL MODELO ESTANDAR
1.- 36 quarks que se presentan en 6 sabores y 3
colores y sus réplicas en antimateria para
describir las interacciones fuertes. 2.- Ocho
camplos de Yang-Mills para describir los gluones
que ligan los quarks 3.- Cuatro campos de
Yang-Mills para describir las fuerzas débil y
electriomagnética. 4.- Seis tipos de leptones
para describir las interacciones débiles
(incluyendo el electrón, el muón, el leptón tau y
sus respectivos neutrinos). 5.- Un gran número
de partículas de Higgs necesarias para ajustar
las masas y las constantes que describen a las
partículas. 6.- Al menos 19 constantes
arbitrarias que describen las masas de las
partículas y las intensidades de las diversas
interacciones. Estas 19 constantes deben ser
introducidas, no están determinadas por la
teoría.
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Incluso cuando el Modelo Estándar ha tenido gran
éxito en explicar los resultados experimentales,
tiene dos defectos importantes   El modelo
contiene 19 parámetros libres, tales como las
masas de las partículas, que deben ser
determinados experimentalmente (además de 10 para
las masas de los neutrinos). Esos parámetros no
pueden ser calculados independientemente.   El
modelo no describe la fuerza gravitatoria.
Dentro de él, la materia y la antimateria son
simétricas. La preponderancia de la materia en el
Universo podría ser explicada diciendo que el
Universo comenzó con otras condiciones iniciales,
pero la mayoría de los físicos piensan que esta
explicación no es elegante. Este Modelo tampoco
explica por qué un cuerpo sólido es sólido. Si se
representa un átomo a una escala en la que los
neutrones y protones tuviesen 10 cm de diámetro,
los quarks y electrones tendrían 1 mm de diámetro
mientras que el átomo llegaría a tener 10 km de
diámetro. Esto es, casi el 100 del átomo está
vacío. También hay que tener en cuenta que la
distancia entre los átomos que forman moléculas
hay aún un porcentaje mayor de vacío.
Existen alternativas al Modelo Estándar que
intentan dar respuesta a estos "fallos",
fundamentalmente Las Teorías de Cuerdas. Pero
esto es otra historia...
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CRONOLOGIA
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CRONOLOGIA 1964
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CRONOLOGIA 1965-70
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CRONOLOGIA 1973
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CRONOLOGIA 1974-6
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CRONOLOGIA 1977-9
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CRONOLOGIA 1983-95
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EL MODELO
ESTANDAR
DE LA FISICA ACTUAL
FIN