¿Qué es y para qué sirve el Modelo Estándar de Física?
Por Alexander James Stuart*
El Modelo Estándar de Física de Partículas es una de las teorías más exitosas en física. Se basa en la idea de que las partículas subatómicas y sus interacciones entre sí se pueden describir mediante el uso de simetrías. Específicamente, el Modelo Estándar puede describir completamente cómo interactúan los quarks (los constituyentes de los protones y neutrones en los átomos), los electrones y los electrón neutrinos (una partícula producida durante la desintegración nuclear) a través de la fuerza electromagnética (la fuerza responsable de mantener electrones alrededor del núcleo atómico), fuerza débil (la fuerza que causa la desintegración radiactiva) y fuerza fuerte (la fuerza que mantiene unidos a los protones en el núcleo de los átomos).
Hace esto por medio del lenguaje de la teoría de grupos, la cual es una de las ramas más abstractas de las matemáticas. Nos dice que cada fuerza fundamental se puede describir usando un grupo diferente y, por ende, una simetría diferente. El Modelo Estándar tiene otra característica muy interesante: contiene familias. El up quark, el down quark, el electrón y el electrón neutrino forman la primera familia. Asimismo, hay un charm quark, un strange quark, un muón y un muón neutrino que forman la segunda familia y un top quark, un bottom quark, tau y un tau neutrino que integran la tercera familia.
Lo que hace que las cosas sean aún más interesantes es que la segunda y la tercera familia son idénticas a la primera en todos los sentidos, excepto que son más pesadas. Por ejemplo, las partículas de electrón, muón y tau tienen cada una carga de -1e, donde “e” es la carga de un protón. Sin embargo, la masa del electrón es menor que la masa del muón, que es menor que la masa del tau. El patrón se replica nuevamente para el up quark, el charm quark y el top quark que tienen una carga de +2/3e, pero la masa del up quark es menor que la masa del charm quark, que es menor que la masa del top quark. El patrón se repite una última vez para el caso del down quark, el strange quark y el bottom quark, los cuales tienen una carga de -1/3e, i.e., la masa del down quark es menor que la masa del strange quark, que es menor que la masa del bottom quark.
¿Qué pasa con los neutrinos? El Modelo Estándar predice que los neutrinos no tienen masas. Por lo tanto, este patrón familiar no puede repetirse para los neutrinos en el Modelo Estándar. Sin embargo, en 1998 el experimento Super-Kamiokande en Japón anunció la primera evidencia de la existencia de una masa del neutrino (una masa muy pequeña). Se hizo al observar un fenómeno llamado “oscilaciones de neutrinos”, en el cual un neutrino puede crearse con un tipo de sabor y luego detectarse con otro; este fenómeno solo es posible si los neutrinos poseen masa. De esta manera, esta medición nos dio algunos de los primeros atisbos de la física más allá del Modelo Estándar.
El fenómeno de las oscilaciones de neutrinos puede ser descrito cuantitativamente mediante cuatro números, es decir, tres números se denominan “ángulos de mezcla” y el otro se denomina “fase de violación de CP”. Esta fase de violación de CP puede ser responsable del por qué existimos, es decir, por qué hay más materia que antimateria en el Universo. Por esto es fundamental crear una teoría que pueda generar y explicar estos ángulos y esta fase.
Además, dado que el Modelo Estándar es una exitosa teoría basada en simetrías, es razonable creer que la teoría que puede describir el sabor pueda resolverse utilizando otra simetría, es decir, una “simetría de sabor”. Básicamente, este concepto ha sido el foco de mis investigaciones desde que obtuve mi doctorado por modelar la mezcla de neutrinos con la simetría icosaédrica.
Recientemente he trabajado con mi tesista de Licenciatura en Física, Janelly Bautista (actualmente en el programa doctoral de la University of Minnesota) y con el Doctor Carlos Alvarado (egresado de la Licenciatura en Física de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Colima y ahora profesor del Vassar College en Nueva York) para desarrollar un marco en el que se pueden abstraer aún más estos grupos de simetría de sabor, hablando de ellos en términos de sus “presentaciones”. Luego utilizamos este marco para explorar algunos patrones de mezcla. Los resultados de esta colaboración son dos artículos, que pueden consultarse en los siguientes enlaces:
“Predicting Neutrino Mixing Angles Using Group Presentations”. C. Alvarado, J. Bautista, and A. J. Stuart, International Journal of Modern Physics A, 38, no.06n07, 2350039 (2023) [https://doi.org/10.1142/S0217751X23500392]
“Connecting Tribimaximal and Bitrimaximal Mixings”. C. Alvarado, J. Bautista, and A. J. Stuart, Physics Letters B, 856, 138932 (2024) [https://doi.org/10.1016/j.physletb.2024.138932].
*Profesor e investigador de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Colima.
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