Reseña: “El modelo estándar de partículas” de Mario E. Gómez Santamaría

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“A pesar de sus limitaciones, el modelo estándar es una herramienta básica para el avance de la física actual, como hace cien años lo fue el electromagnetismo. [Un] gran avance en nuestra comprensión del universo. Aunque no podamos hallar en él un candidato para la enigmática materia oscura, esta podrá ser identificada gracias a su interacción con detectores terrestres, y podrá ser interpretada gracias al modelo estándar”.

“En este libro se presenta el modelo estándar de las interacciones fundamentales (ME) a través del progreso en las teorías y experimentos que, a lo largo de casi cien años, culminaron en su establecimiento”. Mario E. Gómez Santamaría, “El modelo estándar de partículas. Los pilares de la materia”, Un paseo por el cosmos, RBA Coleccionables (2016) [159 pp.], es una buena introducción para los legos al hilo de la historia. Su autor, profesor de física en la Universidad de Huelva, cumple con creces con las expectativas. Sin lugar a dudas un buen libro para continuar con mis reseñas de libros de esta colección. Te lo recomiendo encarecidamente.

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En siete capítulos se transita el largo camino desde el descubrimiento de los átomos cerca de 1900 al modelo estándar completo con el descubrimiento del Higgs en 2012. Tras la introducción [pp. 7-12], el capítulo pimero, “De los átomos indivisibles al núcleo atómico y el electrón” [pp. 13-29], nos recuerda la estructura de los átomos y el papel que jugaron la química y la radiactividad para desvelarla.

“Materia e interacciones: fermiones y bosones” [pp. 31-52], el segundo capítulo, nos habla de la teoría cuántica, el fotón, la teoría atómica, el espín del electrón y los rayos cósmicos. “El concepto de cuantificación de la materia a partir de los átomos es algo intuitivo. [La] cuantificación de la energía [es un] problema diferente. [La] hipótesis cuántica de Planck fue aplicada por Einstein para estudiar [el] efecto fotoeléctrico”.

“El espín no puede asociarse al giro de una partícula cargada sobre sí misma. [Se] incorpora a la ecuación de Schrödinger como un operador que contribuye a la energía del sistema en presencia de campos magnéticos. [El] espín es una propiedad intrínseca de cada tipo de partícula. [Va] a determinar el comportamiento colectivo de las partículas en un sistema”. Como pasa con muchos libros, no se aclara qué es el espín, qué es una partícula, o qué diferencia un fotón de un electrón, pasando por estos conceptos básicos sólo de pasada.

El capítulo tercero, “Partículas relativistas. La ecuación de Dirac” [pp. 53-73], parte del descubrimiento del muón y nos lleva hasta la ecuación de Dirac y el concepto de antipartícula, pasando por el descubrimiento del neutrón y una nueva presentación del espín como diferencia entre bosones y fermiones. El autor no tiene miedo a presentar la ecuación de Dirac, las matrices de Dirac y el álgebra de Clifford, aunque las discute de forma muy breve.

“La primera teoría cuántica de campos: la electrodinámica cuántica” [pp. 75-90], el capítulo cuarto, nos lleva hasta los diagramas de Feynman en QED. “La física es la ciencia experimental en la que la teoría tiene mayor vida propia, en el sentido de que los científicos que hacen la teoría son diferentes de los que realizan los experimentos”.

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“La teoría cuántica de campos es difícil de describir de manera intuitiva, puesto que ya su correspondiente teoría clásica se basa en una formulación matemática bastante abstracta. [La] llamada invariancia gauge es fundamental para la formulación del modelo estándar. La palabra gauge no tiene una traducción literal al español. [De] esta simetría del sistema [se] deduce la conservación de la corriente eléctrica. [La] constante de estructura fina cuantifica la intensidad de la interacción fotón-electrón. Puesto que su valor es pequeño, el lagangiano se puede escribir como el correspondiente al fotón y el electrón libres más un término de interacción entre ambos. [La] redefinición de los parámetros del lagrangiano, mediante un proceso denominado renormalización, [resuelve] el problema de los infinitos [que] parece inherente a [la] teoría”.

Se observan “las partículas con velocidades relativistas [vía] la dispersión de estas en colisiones y la desintegración de las partículas inestables. [La] dispersión o scattering de proyectiles lanzados sobre un blanco se evalúa computando una cantidad denominada sección eficaz: [el] número de interacciones por unidad de tiempo/flujo de proyectiles incidente. [El] tamaño del área de acción del blanco sobre el proyectil [se mide en] barn, que equivale a 10−28 m² y corresponde al diámetro de un núcleo de uranio al cuadrado”.

El capítulo quinto, “Aceleradores de partículas, simetrías y quarks” [pp. 91-112], nos presenta los primeros aceleradores de partículas, el zoo de partículas (mesones y bariones), la interacción de Yukawa, los números cuánticos B, L y S, la simetría SU(3) aproximada de la vía óctuple y los quarks en el contexto del sabor.

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“Los hadrones se han dividido entre bariones y mesones. [Asignamos] a cada barión un número bariónico B=+1, a los antibariones B=−1, y a mesones y fermiones B=0. [A] cada leptón se le asigna un número leptónico L=+1, L=−1 a su antipartícula y cero a los hadrones. y a mesones y fermiones B=0″. En tres páginas se introducen los grupos de simetría en la física de partículas, para luego describir el grupo SU(2) asociado al isospín (o espín isobárico) y el grupo SU(3) de Gell-Mann y Ne’eman en otras tres páginas.

El capítulo sexto, “Las teorías de las interacciones fuerte y electrodébil” [pp. 113-137] nos presenta el modelo estándar SU(3)c×SU(2)L×U(1)Y propiamente dicho. El color de los quarks, la interacción fuerte, la interacción débil y el modelo de Glashow–Weinberg–Salam.

“¿Por qué no existen las partículas con solo un quark? ¿Por qué existen estados de tres tres quarks idénticos? Estos problemas pueden resolverse introduciendo un nuevo número cuántico que distinga los quarks del mismo sabor, llamado color“. Introducido en 1965 por Han y Nambu, y por Greenberg, permite explicar los hadrones. La QED inspiró las teorías de Yang–Mills en 1954, que llevaron a “la teoría que describe los quarks y la interacción fuerte como una teoría gauge, [la] cromodinámica cuántica (QCD), [que] se basa en el grupo SU(3)c de color, que no debemos confundir con el grupo de SU(3)f de sabor de Gell-Mann”.

Tras introducir de forma breve la libertad asintótica y la observación experimental de los quarks mediante jets, se presenta la interacción débil. “Se comprobó que viola la paridad. Esta propiedad debe ser incorporada a la estructura de esta interacción. Para ello, el espinor de Dirac f, que representa a cada fermión, se puede separar en dos componentes, fL y fR, cada una de las cuales corresponde a la orientación del momento respecto del espín (helicidad). [En] el caso de la desintegración β la interacción débil solo afecta a la componente eL y a su antipartícula e+R. La componente eR o e+L no interviene en la interacción débil”.

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El modelo de Glashow–Weinberg–Salam “asocia la carga electrodébil, T, a dobletes de las componentes L de los fermiones [y] singletes de las componentes R”. La discusión es breve, pero precisa y segura. A los bosones débiles W+, W y W3 de la simetría SU(2)L se les “incorpora un bosón neutro adicional de la simetría U(1)Y , al que se denota como B. [El] bosón B se combina con el bosón neutro, W3 del grupo SU(2) [para] dar lugar a uno sin masa, [el] fotón A, [y] otro masivo, el Z0“. Se introduce también el ángulo de Weinberg θW.

El último capítulo, el séptimo, “El modelo estándar completo” [pp. 139-154], nos resume el modelo estándar, presenta las tres generaciones de fermiones y cómo se descubrieron de forma experimental, menciona el bosón de Higgs y su descubrimiento en 2012, y finaliza filosofando sobre lo que nos espera “más allá del modelo estándar”. Tras unas lecturas recomendadas se incluye un glosario, que ayudará a muchos lectores.

En resumen, un buen libro que introduce el modelo estándar y su historia para quienes no la conozcan. Sin miedo a usar conceptos abstractos y alguna que otra fórmula, se presenta tal y como es. Solo se echa en falta una discusión más razonada de los grandes hitos del modelo estándar que fueron premiados con un Nobel de Física. Pero la brevedad del libro es lugar a dudas la mejor excusa para omitirlos. Un libro que complementa muy bien otros libros de esta colección sobre el Higgs o los neutrinos. Un libro muy recomendable para todos.


3 Comentarios

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Jose BroxJose Brox

Genial que hayas sacado tiempo para tus reseñas. Éste tiene buena pinta, aunque los párrafos que has destacado me parecen un poco asépticos en el estilo.
Espero (con pánico) la entrada dedicada al libro “Ciencia y consciencia. La interacción entre mente y materia”. A partir de aquí es donde creo que la colección va a ir cuestabajo a todo trapo…

MarioMario

He leído el libro, bueno me estoy leyendo la colección entera. He de decir que es el único que me ha parecido infumable y una decepción. Y no lo digo por el tema, me encanta el modelo estándar. El libro es radicalmente antididactico. Nadie que no esté en últimos cursos de física teórica tiene bemoles de seguir el hilo en algunos momentos. Se mete en unos jardines excesivamente técnicos, el nivel matemático es en ocasiones inecesariamente alto. Un lector aficionado a la ciencia pero no científico es incapaz de evitar la frustración.
Es el único de la colección escrito de esta manera, y espero que sea el último.

CarlosCarlos

A mí también me ha parecido muy poco divulgativo. Utiliza expresiones y conceptos matemáticos de un gran nivel. Para gente que esté estudiando los últimos cursos de Física, le parecerá una delicia, pero pienso que esta colección va dirigida a un público más amplio.

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