Podcast CB S&R 116: Más allá del modelo estándar con Quim Matías

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He participado en el episodio 116 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVoox, iTunes], titulado “Especial Nueva Física, más allá del Modelo Estándar; Tertulia con Joaquim Matías”, 22 Jun 2017. “La tertulia semanal ha repasado las últimas noticias de la actualidad científica.”

En la foto, de arriba a abajo y de izquierda a derecha: Alberto Aparici @cienciabrujula (por videoconferencia), Francis Villatoro @emulenews (por videoconferencia), Nacho Trujillo, Joaquim Matías (RG, GS) y Héctor Socas (@pcoffeebreak). Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso. CB:SyR es una colaboración entre el Área de Investigación y la Unidad de Comunicación y Cultura Científica (UC3) del Instituto de Astrofísica de Canarias.

Se inicia el programa hablando sobre el modelo estándar. Permíteme un resumen libre de lo que se comenta escrito entre Alberto Aparici y un servidor (no detallaré qué parte es de cada uno, tampoco lo sé, pues se ha escrito a dos manos). El Modelo Estándar es el marco que permite describir todas las interacciones (fuerzas) fundamentales, salvo la gravitación. El modelo estándar es una teoría cuántica de campos para cuatro de las cinco interacciones fundamentales.

Se conocen 118 campos cuánticos, que aparecen como diferentes partículas: quarks, leptones cargados, neutrinos, bosones vectoriales y un bosón escalar). Por ejemplo, el campo electrónico tiene 4 componentes, dos corresponden al electrón (izquierdo y derecho) y dos al positrón (izquierdo y derecho). El campo quark arriba tiene 12 componentes, tres parejas corresponden al quark arriba (izquierdo y derecho) con sus tres hipercargas de color (rojo, verde y azul) y las otras 6 al antiquark arriba con sus tres antihipercargas de color (antirojo, antiverde y antiazul). Los neutrinos tienen dos componentes (no sabemos si una corresponde al neutrino y la otra al antineutrino, como serían si fuera un fermión de Dirac, o si corresponden a las componentes izquierda y derecha de un fermión de Majorana. El fotón tiene dos componentes (polarización) y los 8 gluones también dos componentes. Los bosones W+, W y Z0 tienen tres componentes cada uno. El Higgs tiene una sola componente. Sumando quarks, leptones cargados y neutrinos tenemos 4 × 6 × 3 + 4 × 3 + 2 × 3 = 90 componentes fermiónicos, los bosones vectoriales y el bosón escalar tenemos 2 + 8 × 2 + 3 × 3 + 1 = 28 componentes bosónicos, sumando suman 118 componentes totales; podría haber más si los neutrinos son de Dirac, si existe el axión, etc.].

La física de partículas habla sobre… las partículas, pero la teoría sugiere que éstas no son el objeto fundamental. El objeto fundamental serían los campos, y las partículas son una de las posibles manifestaciones de éstos. Los campos son algo que llena el espacio, almacena energía y puede emplear esa energía para transmitirla a otros campos… cuando el campo vibra y esa vibración se propaga a grandes distancias nosotros vemos una partícula. Si el campo cede parte de su energía a otro campo decimos que ha ocurrido una interacción; en este proceso pueden crearse nuevas partículas en el campo que ha recibido el chute de energía, y también pueden desaparecer partículas en el campo donante, por eso es cómodo visualizar las interacciones como “partículas que se transforman las unas en las otras” mientras la energía y el momento lineal se conserva. Pero los campos pueden hacer también otras cosas con la energía: pueden almacenarla en estados sin partículas (vacíos, quizá diversos), y pueden moverla de una forma no propagante (efecto túnel, partículas virtuales). Nosotros podemos estudiar fácilmente los estados de partículas, en experimentos como los aceleradores, y las demás manifestaciones del campo normalmente las vemos de forma indirecta, a partir de los efectos físicos que producen.

¿Cuántas interacciones hay? En rigor se conocen cinco interacciones fundamentales, una clásica, la gravitación, y cuatro cuánticas; estas últimas son de dos tipos, tres interacciones gauge, la interacción electromagnética, la interacción débil y la interacción fuerte, y una interacción que no es gauge, la interacción de Yukawa. Antes de 2012 era habitual hablar de cuatro interacciones fundamentales, pero desde 2012 ya es mejor hablar de cinco interacciones fundamentales (aunque no todas sean gauge).

La interacción fuerte forma hadrones, partículas compuestas formadas por quarks y gluones. En la charla con Quim se habla de los mesones B, uno de esos hadrones, pero los más conocidos son el protón y el neutrón, y quizás también el pión (o mesón pi). Los quarks (las únicas partículas que sienten la interacción fuerte) y los gluones (las partículas que median dicha interacción) no existen como partículas libres; estas partículas tienen hipercarga de color y el vacío de la interacción fuerte tiene fluctuaciones de energía tan grandes que solo permiten la existencia de estados neutros para la hipercarga de color [confinamiento]; estos estados se comportan como partículas compuestas de quarks y gluones. La interacción fuerte forma hadrones (bariones como el protón y mesones como el pión), hadrones exóticos (tetraquarks, pentaquarks, etc.), y otros estados aún no observados (como las glubolas).

Las desintegraciones de partículas son resultado de las interacciones. Cuando una partícula interacciona transfiere parte de su energía a otros campos. En una desintegración (decay en inglés) la transferencia de energía es total: la partícula original desaparece y aparecen otras nuevas a partir de la energía que la partícula original acumulaba. Las opciones (canales de desintegración) que tiene disponibles una partícula para desintegrarte dependen de con qué campos puede interaccionar, a cuáles puede transferirles su energía. Hay que tener cuidado con la palabra “desintegración” que sugiere que una partícula está hecha de otras partículas y se “rompe” en dichas partículas, lo que es falso (salvo para partículas compuestas). Lo que ocurre es que la energía en una excitación tipo partícula de un campo se transfiere a otros campos dando lugar a excitaciones tipo partícula de dichos campos, pasando el campo original a su estado de vacío. Una partícula puede “desintegrarse” en otras partículas de todos los modos posibles que no violen las leyes de conservación asociadas a las interacciones que la afectan (que dependen del tipo de partícula); para partículas compuestas, como los hadrones (bariones y mesones), dado que los quarks “sienten” todas las interacciones fundamentales, el número de canales de desintegración es enorme, habiéndose observado para muchos de ellos hasta cientos de canales.

La física “más allá del Modelo Estándar” estudia los pequeños defectos del Modelo Estándar y trata de averiguar qué otras partículas e interacciones nos hacen falta. Algunos de estos defectos o anomalías aún sin explicación son la pequeñez de la masa de los neutrinos, la existencia de la materia oscura, la inflación, la asimetría materia-antimateria, etc. El término “física más allá del modelo estándar” comprende todas las propuestas para resolver estos problemas, desde el estudio de nuevas interacciones cuánticas (nuevos bosones) a nuevas partículas de materia (nuevos fermiones) aún por descubrir que habrán de ser añadidos al modelo estándar.

Debemos recordar que cuando se construyó el modelo estándar (1974) se conocían solo dos familias de quarks y leptones, y más tarde (1977) se descubrió que había una tercera, en aquella época esto era física más allá del modelo estándar; por ejemplo, la masa de los neutrinos (1998) se consideró entonces como física más allá del modelo estándar, pero ahora, para la mayoría de los físicos, ya no lo es. Muchas de las cosas que ahora se califican como física más allá del modelo estándar (como los axiones o los monopolos magnéticos) es posible que cuando sean confirmadas por los experimentos acaben incorporándose al modelo estándar y formen práctica se su última versión.

Hay muchas alternativas al Modelo Estándar: Supersimetría, GUT, tecnicolor, … La teoría cuántica de campos permite añadir al modelo estándar SU(3)C x SU(2)L x U(1)Y infinidad de posibles nuevas interacciones y/o partículas sometidas a las interacciones ya conocidas. Puede haber nuevas interacciones U(1)’ (mediadas por fotones oscuros, o por bosones Z prima, según su masa sea pequeña o enorme), SU(2)’ (mediadas por bosones W prima y Z prima), SU(3)’ (mediadas por nuevos gluones prima, como p.ej. el technicolor), o incluso grupos de simetría gauge más grandes como SU(4), SU(5), SO(10), E6, etc. También puede haber nuevas partículas escalares (como el axión, el inflatón, etc.), nuevos fermiones quirales como los quarks y leptones conocidos (como una cuarta generación de partículas, no descartada si sus neutrinos tienen una masa por encima de 45 GeV), como nuevos fermiones no quirales (como los quarks vectoriales), etc.

Una idea popular a finales de los 1970 es la gran unificación, la incorporación del modelo estándar dentro de un grupo de simetría mayor, las llamadas teorías GUT (o de gran unificación), que pueden estar basadas en grupos de simetría como SU(5), SO(10) o E6 que son capaces de contener en su interior la descomposición SU(3)xSU(2)xU(1). Pero la teoría cuántica de campos permite añadir infinidad de exotismos más allá de los que se usan en el modelo estándar. Por ejemplo, la supersimetría, que duplica todas los campos conocidos (habría, como mínimo, 118+4 = 122 nuevos campos aún por descubrir con todo un sector de partículas nuevas, “gemelas” de las conocidas, o “no tan gemelas” pues la supersimetría está rota). Mencionar todo esto en detalle, dado que la imaginación de los físicos teóricos no tiene límite, nos llevaría muy lejos. Se puede afirmar sin rubor que cada físico teórico del mundo ha propuesto al menos una nueva interacción o una nueva partícula (p. ej. Alberto Aparici y Joaquim Matias lo han hecho ya).

¿Cuáles son los canales de desintegración de los mesones B? La física de los mesones B es muy complicada y el número de canales es enorme (en el Particle Data Group se les dedica 48 páginas y la mitad describen canales de desintegración diferentes). Un mesón B+ está formado por un antiquark b (bottom) y un quark u (up), un B por un quark b y un antiquark u, un B0 por un antiquark b y un quark d (down), y su antipartícula por un quark b y un antiquark d. La interacción débil mediada por los bosones W (que tienen carga eléctrica unidad 1) permite que un quark tipo arriba (u, c, o t, con carga eléctrica 1/3) se transforme en un quark tipo abajo (d, s, o b, con carga eléctrica 2/3), y viceversa. Gracias a ello un mesón B+ se puede desintegrar vía un bosón W (desintegración leptónica a nivel árbol) en una pareja de leptones (electrón-positrón, muón-antimuón, etc.). También se puede desintegrar vía un pareja de bosones W y/o Z (desintegración semileptónica a nivel lazo o loop) en otro mesón y una pareja de leptones; por ejemplo, en un mesón K (o kaón escalar), si los espines de sus quarks son opuestos, o en un mesón K* (o kaón vectorial), si sus espines apuntan en la misma dirección. Este último caso es el que comenta Quim en la tertulia.

Por cierto, en la introducción del podcast yo afirmo que un quark b se puede desintegrar en un s a nivel árbol y esto no es posible, dislexia la mía, ya que ambos son quarks tipo abajo; esta desintegración se puede dar solo a nivel lazo, vía un diagrama tipo pingüino, involucrando dos bosones vectoriales. Estas desintegraciones que involucran más de un bosón vectorial son mucho menos probables en el Modelo Estándar.

Espero que disfrutes del todo el podcast como lo hemos disfrutado nosotros durante la tertulia.


9 Comentarios

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benjaminbenjamin

Hola francis

perdon que pregunte algo fuera del tema principal del articulo

donde puedo ver un indice de los mejores grupos o laboratorios de investigacion por area?

por ejemplo los X mejores grupos de investigacion en cancer, etc etc

gracias

Pedro MascarósPedro Mascarós

Muy bueno el podcast.
La primera parte muy bien dirigida; no sé quien de los participantes es quien os dirige pero a pesar de no ser experto en partículas, lo hace de maravilla; es lo mismo que ocurre con “Principio de incertidumbre” en canal extremadura ,con Joquín Solís, que lo lleva a rajatabla.

Los divulgadores y científicos necesitáis una buena dirección para que podáis explayaros sin miedo a dejaros algo, o a desorganizaros; alguien que si no es experto os pare en cuanto no entienda, que detecte enseguida lo que es importante de lo que no es y que guíe para que no se vaya por derroteros fuera de lugar.

Gabriel DomínguezGabriel Domínguez

El podcast es de lo más interesante que he oído últimamente en divulgación, y este post el complemento perfecto. Gracias una vez más.

Jesus DiazJesus Diaz

Hola Francis, acabo de escuchar este podcast de Coffee Break y he disfrutado muchísimo, tanto con las jugosas aportaciones que realizáis Alberto Aparici y tu, así como la posterior charla con Joaquim Matías. Aunque me ha costado seguiros en algunos momentos, donde he tenido que pausar y retroceder para escucharlo de nuevo, ahora me dispongo a escuchar el monográfico sobre el Modelo Estandar en el capitulo 120. Todo esto ha despertado mi curiosidad e interés en aprender y profundizar más sobre el tema. ¿Podrías recomendarme algún libro lo mas actualizado posible sobre el estado actual de la física de partículas y el Modelo Estandar? ¿Que te parece el “Partículas Elementales” de Gerard t’Hoft? ¿Puede ser un buen punto de partida? Gracias.

Ricardo Huelamo MolinaRicardo Huelamo Molina

Los pos ay 116como el 120 .Geniales por la claridad de la exposición ,en honor a la verdad tampoco me he enterado absolutamente de todo ,pero yo creo que lo esencial que para un profano ya es mucho aunque venga leyendo más o menos intermitente durante 6años.
Lo de Joaquim Matías ya es harina de otro costal,pero hubiera juntado que se hubiera metido con la Materia oscura,la Inflación cósmica, y asimetría materia-antimateria y opinará sobre el adiós como posible partícula de materia oscura,pero se le veía centrado en fundamentar que las anomalías que estudia del mesón B no caben en el modelo estándar s lo entendí bien que bie poco para ser sinceros.
Gracias por esa labor de Divulgar Ciencia con Rigor.

Quería decir me hubiera gustado que…..
Opinará sobre el axion como posible partícula de materia oscura……

Francisco R. Villatoro

Ricardo, a mí personalmente el axión QCD me parece el mejor candidato posible para la materia oscura, pues se trata de una “predicción” del modelo estándar (como el Higgs). Pero lo que yo opine no tiene ninguna importancia, la Naturaleza es la que dicta las reglas.

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