Modelo Estándar

Teoría cuántica de campos
Diagrama de Feynman
Historia
Fondo La teoría de campo Teoría Gauge Poincaré simetría Mecanica cuantica Ruptura espontánea de simetría
Simetrías Conjugación de carga Cruce Paridad La inversión del tiempo
Instrumentos Anomalía La teoría de campo eficaz Valor esperado Fantasmas Faddeev-Popov Diagrama de Feynman Teoría del calibrador del enrejado Fórmula de reducción de LSZ Función de partición Propagador Cuantificación Regularización Renormalización Estado de vacío Teorema de Wick Axiomas de Wightman
Ecuaciones Ecuación de Dirac Ecuación de Klein-Gordon Ecuaciones Proca Ecuación de Wheeler-DeWitt Ecuaciones Bargmann-Wigner
Modelo Estándar Modelo electrodébil Mecanismo de Higgs Cromodinámica cuántica La electrodinámica cuántica Teoría de Yang-Mills
Teorías incompletas La gravedad cuántica Teoria de las cuerdas La supersimetría Technicolor Teoría de todo
Los científicos CD Anderson PW Anderson Bardeen Ser El Bjorken Bogoliubov Brout Cabibbo Callan Cronin DeWitt Dirac Dyson Englert Fermi Feynman Fierz Pescador Fock Fröhlich Gell-Mann Bruto Hänsch Heisenberg Higgs Haag 'T Hooft Kadanoff Kendall Klitzing Kobayashi Cordero Landó Sotavento Majorana Maskawa Mills Nambu Nishijima Parisi Paul Polyakov Salam Schwinger Shockley Skyrme Störmer Sudarshan Thomson Tomonaga Veltman Sala Weinberg Wilczek Wilson Yang Yukawa

El Modelo Estándar de la física de partículas es una teoría que describe tres de los cuatro conocidos interacciones fundamentales entre la partículas elementales que componen toda la materia . Agrupa las teoría electrodébil y cromodinámica cuántica en una estructura indicada por el grupo gauge SU (3) × SU (2) × U (1). Es un relativista teoría cuántica de campos que es consistente con ambos la mecánica cuántica y la relatividad especial . Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el Modelo Estándar se han acordado con sus predicciones.

Cae el Modelo Estándar lejos de ser un teoría completa de las interacciones fundamentales, principalmente debido a su falta de inclusión de la gravedad , la cuarta interacción fundamental conocida, y también debido a la reciente observación de las oscilaciones de neutrinos.

Antecedentes históricos

La formulación de la unificación de la electromagnética y interacciones débiles en el Modelo Estándar se debe a Steven Weinberg, Abdus Salam y, posteriormente, Sheldon Glashow. El modelo de unificación fue propuesto inicialmente por Steven Weinberg en 1967 y completó su integración con la propuesta de Peter Higgs de ruptura espontánea de la simetría que da origen a las masas de todas las partículas descritas en el modelo.

Después del descubrimiento, hecho en CERN de la existencia de corrientes débiles neutras, mediada por el Bosón Z, previsto en el Modelo Estándar, Glashow, Salam y Weinberg recibió el Premio Nobel de Física en 1979 .

Visión de conjunto

En la física , la dinámica de la materia y la energía en la naturaleza está actualmente comprenden mejor en términos de la cinemática y las interacciones de partículas fundamentales. Hasta la fecha, la ciencia ha logrado reducir el leyes que parecen regir el comportamiento y la interacción de todos los tipos de materia y energía que somos conscientes de, a un pequeño núcleo de leyes y teorías fundamentales. Un objetivo importante de la física es encontrar el "terreno común" que uniera todos estos objetivos en un modelo integrado de todo, en el que todas las demás leyes que conocemos serían casos especiales, y de la cual el comportamiento de toda la materia y energía se puede derivar (al menos en principio). "Los detalles se pueden resolver si la situación es lo suficientemente simple para nosotros para hacer una aproximación, que es casi nunca, pero a menudo podemos entender más o menos lo que está sucediendo." ( Conferencias de Feynman de Física, Vol 1. 2-7)

El modelo estándar es una agrupación de dos teorías principales - electrodébil cuántica y cromodinámica cuántica - 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. El modelo estándar describe cada tipo de partícula en términos de un matemático campo. Para una descripción técnica de los campos y sus interacciones, consulte modelo estándar (formulación matemática).

Contenido de partículas

Las partículas en la física Elemental Los fermiones Quarks u u d d c c s s t t b b Los leptones e - e + μ - * μ + τ - τ * + ν e * ν e ν μ ν * μ ν τ ν * τ Los bosones Calibre γ g ± W * Z Escalar H 0 Otros Fantasmas Hipotético Supercompañeros Gauginos Gluino Gravitino Otros Axino Chargino Higgsino Neutralino Sfermión Otros A 0 Dilatón G J Majorana fermión m Tachyon X Y W ' Z ' Neutrino estéril Compuesto Los hadrones Los bariones / Hiperones N p n Δ Λ Σ Ξ Ω Los mesones / Quarkonia π ρ η η ' φ ω J / ψ Υ θ K B D T Otros Los núcleos atómicos Átomos Diquarks Átomos exóticos Positronio Muonio Tauonium Onia Superatoms Moléculas Hipotético Hadrones exóticos Bariones exóticos Dibarión Pentaquark Skyrmion Mesones exóticos Bola de gluones Tetraquark Otros Molécula mesónica Pomeron Cuasi-partículas Davydov solitón Excitón Agujero Magnon Phonon Plasmarón Plasmon Polariton Polaron Roton Trion Listas Los bariones Los mesones Partículas Cuasi-partículas Cronología de los descubrimientos de partículas Libros de Wikipedia Hadrónica Matter Las partículas del Modelo Estándar Los leptones Quarks Portal Física

Las partículas del modelo estándar se organizan en tres clases según su centrifugado: fermiones (partículas de spin-½ de la materia), indicador bosones (spin-1 de la fuerza-mediación partículas) y el (spin-0) Bosón de Higgs.

Las partículas de la materia

Todos los fermiones del Modelo Estándar son spin-½, y siguen el Exclusión de Pauli Principio de acuerdo con el spin-estadísticas teorema.

Aparte de su socios antipartícula, un total de doce fermiones diferentes se conocen y se representaron. Se clasifican de acuerdo con la forma en que interactúan (o equivalentemente, qué cargos que llevan): seis de ellos están clasificados como quarks ( arriba, abajo, encanto, extraño, superior, inferior), y los otros seis como leptones ( electrón , muón, tau, y sus correspondientes neutrinos).

Los pares de cada clasificación se agrupan para formar un generación, con partículas correspondientes exhiben comportamiento físico similar (ver tabla de fermiones).

La propiedad definitoria de la quarks es que llevan carga de color, y por lo tanto, interactúan a través de la fuerza fuerte. La comportamiento infrarrojos confinamiento de los fuertes resultados de fuerza en los quarks están perpetuamente unidos entre sí formando partículas compuestas de color neutro ( hadrones) de cualquiera de dos quarks ( mesones) o tres quarks ( bariones). Lo familiar protón y el neutrón son ejemplos de los dos bariones más ligeros. Los quarks también llevan cargas eléctricas y isospin débil. De ahí que interactúan con otros fermiones electromagnéticamente ya través de las interacciones nucleares débiles.

Los seis fermiones restantes que no llevan carga de color se define como la leptones. El árbol neutrinos no llevan carga eléctrica, ya sea, por lo que su movimiento está directamente influenciada sólo por medio de la la fuerza nuclear débil. Por esta razón neutrinos son notoriamente difíciles de detectar en los laboratorios. Sin embargo, el electrón , muón y el leptón tau llevar una carga eléctrica para que interactúan electromagnéticamente , también.

El bosón de Higgs

La partícula de Higgs es una hipotética masiva escalar partícula elemental predicha por el modelo estándar, y la única partícula fundamental predicha por ese modelo que no ha sido observada directamente por el momento. Esto es debido a que requiere una cantidad excepcionalmente grande de la energía y de la viga luminosidad para crear y observar en colisionadores de alta energía. No tiene intrínseca girar, y por lo tanto, (al igual que la fuerza mediadora partículas, que también tienen spin entero) está también clasificado como Higgs.

El bosón de Higgs juega un papel único en el modelo estándar, y un papel clave en la explicación de los orígenes de la masa de otras partículas elementales, en particular, la diferencia entre el sin masa de fotones y la muy pesada Los bosones W y Z. Masas de las partículas elementales, y las diferencias entre el electromagnetismo (causada por el fotón) y el fuerza débil (causada por los bosones W y Z), son fundamentales para muchos aspectos de la estructura microscópica de (y por lo tanto, macroscópica) importa. En teoría electrodébil que genera las masas de la masiva leptones ( electrón , muón y tau); y también de los quarks .

A partir de 2007, ningún experimento ha detectado directamente la existencia del bosón de Higgs, pero hay algunas pruebas indirectas para ello. Se espera que a la finalización de la Gran Colisionador de Hadrones, experimentos llevados a cabo en CERN traería evidencia experimental que confirma la existencia de la partícula.

Science, una revista de investigación científica original, informó: "... experimentadores pueden ya han pasado por alto una partícula de Higgs, argumenta teórico Chien-Yuan Peng de la Universidad Estatal de Michigan . en East Lansing y sus colegas Consideraron el más simple teoría supersimétrica posible. Por lo general, los teóricos suponen que el más ligero de cinco Higgses de la teoría es la que arrastra en la Z. W y Esas interacciones luego retroalimentan Higgs y empujan su masa por encima de 121 veces la masa del protón, la mayor masa buscó en el CERN de grande Electron-Positron (LEP) colisionador, que se desarrolló de 1989 a 2000. Pero es posible que el Higgs más ligero pesa tan poco como 65 veces la masa de un protón y se ha perdido, Yuan y sus colegas argumentan en un artículo que será publicado en Física Letters` Revisión ".

Aspectos Teóricos

Construcción del Modelo de Lagrange Standard

Parámetros del Modelo Estándar

Símbolo	Descripción	Renormalización esquema (punto)	Valor
	Masa del electrón		511 keV
	Masa Muon		106 MeV
	Masa leptón tau		1,78 GeV
	Hasta masa del quark	( )	1.9 MeV
	Abajo masa del quark	( )	4.4 MeV
	Masa del quark Strange	( )	87 MeV
	Masa del quark encanto	( )	1.32 GeV
	Masa del quark Bottom	( )	4.24 GeV
	Masa del quark Top	(Esquema sobre-shell)	172.7 GeV
	CKM ángulo de 12-mezclando		0,229
	CKM ángulo de 23-mezclando		0,042
	CKM ángulo de 13-mezclando		0,004
	CKM Fase Violar CP-		0,995
	U (1) acoplamiento de norma	( )	0,357
	SU (2) acoplamiento de norma	( )	0,652
	SU (3) acoplamiento de norma	( )	1,221
	QCD ángulo vacío		~ 0
	Higgs acoplamiento cuadrática		Desconocido
	Fuerza de auto-acoplamiento de Higgs		Desconocido

Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el modelo estándar, en el que un Lagrange controla la dinámica y la cinemática de la teoría. Cada tipo de partícula se describe en términos de una dinámica campo que impregna espacio tiempo. La construcción de los modelos estándar ganancias siguiendo el método moderno de la construcción de la mayoría de las teorías de campo: por primera postular un conjunto de simetrías del sistema, y luego escribiendo el más general renormalizable Lagrangiano de su partícula (campo) contenido que observa estas simetrías.

La global Poincaré simetría se postula para todas las teorías de campo cuántica relativista. Consiste en lo familiar simetría traslacional, simetría rotacional y la inercia invariancia marco de referencia central para la teoría de la relatividad especial . La SU local (3) SU (2) U (1) es una simetría gauge simetría interna que define esencialmente el modelo estándar. A grandes rasgos, los tres factores de la simetría gauge dan lugar a las tres interacciones fundamentales. Los campos se dividen en diferente representaciones de los diversos grupos de simetría del Modelo Estándar (ver tabla). Al escribir el Lagrangiano más general, se observa que la dinámica dependen de 19 parámetros, cuyos valores numéricos son establecidos por el experimento. Los parámetros se resumen en la tabla de la derecha.

Simetrías adicionales del Modelo Estándar

Desde el punto de vista teórico, el modelo estándar exhibe simetrías globales adicionales que no fueron posulated al inicio de su construcción. Hay cuatro de tales simetrías y se denominan colectivamente simetrías accidentales, todos los cuales son U (1) simetrías globales continuas. Las transformaciones que salen de la invariante de Lagrange son

La primera regla de transformación es la abreviatura que significa que todos los campos de quarks para todas las generaciones deben girar por una fase idéntica simultáneamente. Los campos , y , son el segundo (muon) y análogos tercera generación (tau) de y campos.

Por El teorema de Noether, cada una de estas simetrías produce una ley de conservación asociada. Ellos son la conservación de número bariónico, el número de electrones, el número de muones, y el número de tau. Cada quark transporta un tercio de un número bariónico, mientras que cada antiquark lleva -1/3 de un número de bariones. La ley de conservación implica que el número total de quarks menos el número de antiquarks se mantiene constante a lo largo del tiempo. Dentro de los límites experimentales, se ha encontrado ninguna violación de esta ley de conservación.

Del mismo modo, cada electrón y su neutrino asociado lleva 1 número de electrones, mientras que el antielectrón y el número de antineutrinos carry -1 electrón asociado, los muones llevan 1 número de muones y los leptones tau llevan 1 número tau. El modelo estándar predice que cada uno de estos tres números deben ser conservados por separado de una manera similar a la número bariónico. Estos números se conocen colectivamente como números de la familia de leptones (LF). La diferencia en las estructuras de simetría entre los sectores de leptones y quarks se debe a la masslessness de neutrinos en el modelo estándar. Sin embargo, se ha descubierto recientemente que los neutrinos tienen pequeña masa, y oscilar entre sabores, señalando la violación de estos tres números cuánticos.

Además de las simetrías accidentales (pero exactas) descritos anteriormente, el modelo estándar exhibe un conjunto de simetrías aproximados. Estos son los SU (2) Custodia simetría y el SU (2) o SU (3) simetría sabor de quarks.

Simetrías del Modelo Estándar y Asociados leyes de conservación

Simetría	Lie Grupo	Simetría Tipo	Ley de Conservación
Poincaré	Traducciones SO (3,1)	Simetría Global	Energía , Momentum , Momentum Angular
Calibre	SU (3) SU (2) U (1)	Simetría local	La carga eléctrica , Isospín débil, Cargo Color
Fase Baryon	U (1)	Accidental Simetría Global	Número de bariones
Fase Electron	U (1)	Accidental Simetría Global	Número de electrones
Fase Muon	U (1)	Accidental Simetría Global	Número Muon
Fase Tau	U (1)	Accidental Simetría Global	Número Tau leptónico

Contenido de campo del Modelo Estándar

Campo (Primera generación)		Vuelta	Grupo de medidores Representación	Baryon Número	Electrón Número
Quark Zurdo			( , , )
Entregó el botón derecho del quark up			( , , )
Entregó el botón derecho del quark down			( , , )
Lepton Zurdo			( , , )
Electrón Diestro			( , , )
Campo gauge hipercarga			( , , )
Campo gauge isospín			( , , )
Campo Gluón			( , , )
Campo de Higgs			( , , )

Lista de fermiones modelo estándar

Esta tabla se basa en parte en los datos recogidos por la Particle Data Group ( Quarks PDF (54,8 KB)).

Fermiones zurdos en el Modelo Estándar

Generación 1
Fermión (Zurdo)	Símbolo	Eléctrico cobrar	Débil isospin	Débil hipercarga	Color cargar *	Misa **
Electrón						511 keV
Positrón						511 keV
Neutrino electrónico						<2 eV ****
Hasta quark						~ 3 MeV ***
Hasta antiquark						~ 3 MeV ***
Abajo quark						~ 6 MeV ***
Antiquark abajo						~ 6 MeV ***
Generación 2
Fermión (Zurdo)	Símbolo	Eléctrico cobrar	Débil isospin	Débil hipercarga	Color cargar *	Misa **
Muon						106 MeV
Antimuón						106 MeV
Muon-neutrino						<2 eV ****
Quark encanto						~ 1,3 GeV
Antiquark encanto						~ 1,3 GeV
Quark extraño						~ 100 MeV
Strange antiquark						~ 100 MeV
Generación 3
Fermión (Zurdo)	Símbolo	Eléctrico cobrar	Débil isospin	Débil hipercarga	Color cargar *	Misa **
Tau leptones						1,78 GeV
Lepton anti-tau						1,78 GeV
Tau-neutrino						<2 eV ****
Top quark						171 GeV
Top antiquark						171 GeV
Quark Bottom						~ 4,2 GeV
Antiquark Bottom						~ 4,2 GeV
Notas: * Estos no son ordinarios abelianos cargos , que pueden añadirse juntos, pero son etiquetas de representaciones de grupos de Grupos de Lie. ** La masa es realmente un acoplamiento entre un fermión zurdo y un fermión diestro. Por ejemplo, la masa de un electrón es realmente un acoplamiento entre un electrón de la mano izquierda y un electrón de la mano derecha, que es el antipartícula de un zurdo positrones. Mostrar también neutrinos grandes mezclas en su acoplamiento de masas, así que no es correcto hablar de masas de los neutrinos en el base de sabor o para sugerir un antineutrino electrón zurdo. *** Las masas de bariones y hadrones y diversas secciones transversales son las cantidades medidas experimentalmente. Desde quarks no pueden ser aislados a causa de QCD confinamiento, la cantidad aquí se supone que es la masa del quark en la renormalización escala de la escala QCD. **** El Modelo Estándar asume que los neutrinos tienen masa. Sin embargo, varios experimentos demuestran que contemporáneos neutrinos oscilan entre su estados de sabor, que no podría suceder si todos estaban sin masa. Es sencillo extender el modelo para adaptarse a estos datos, pero hay muchas posibilidades, por lo que los medios de estados propios son todavía abierto. Ver Neutrino # Misa.

Entrar parcela de masas en el Modelo Estándar.

Pruebas y predicciones

Predijo el Modelo Estándar de la existencia de los bosones W y Z, el gluón, el quark top y el quark charm antes se habían observado estas partículas. Sus propiedades predichas se confirmaron experimentalmente con una buena precisión.

La Large Electron-Positron Collider en CERN probado varias predicciones sobre el decaimiento de los bosones Z, y los encontró confirmado.

Para tener una idea del éxito del Modelo Estándar de una comparación entre la medida y los valores previstos de algunas cantidades se muestran en la siguiente tabla:

Desafíos para el modelo estándar

El Modelo Estándar de la física de partículas ha sido determinado empíricamente a través de experimentos en los últimos cincuenta años. Actualmente predice el Modelo Estándar que hay una partícula más por descubrir, la Bosón de Higgs. Una de las razones para la construcción de la Gran Colisionador de Hadrones es que se espera que el aumento de la energía para hacer el bosón observable. Sin embargo, a partir de 2007, hay sólo indirecta indicaciones experimentales de la existencia del bosón de Higgs y que no se puede afirmar que se encuentran.

Ha habido una gran cantidad de tanto teórica como experimental investigación que explora si el Modelo Estándar podría extenderse en una completa teoría del todo. Esta área de investigación es a menudo descrito por el término ' Más allá del Modelo Estándar ". Hay varias motivaciones para esta investigación. En primer lugar, el Modelo Estándar no intenta explicar la gravedad , y no se sabe cómo combinar la teoría cuántica de campos que se utiliza para el modelo estándar con la relatividad general , que es el mejor modelo de física de la gravedad. Esto significa que no es un buen modelo teórico para fenómenos como el universo temprano.

Otra línea de investigación está relacionada con el hecho de que el modelo estándar parece muy ad-hoc y poco elegante. Por ejemplo, la teoría contiene muchos parámetros aparentemente tan sin relación de la teoría - 21 en total (18 parámetros en la teoría del núcleo, además de G, C y h; no se cree que hay otros 7 u 8 parámetros necesarios para las masas de los neutrinos aunque masas de los neutrinos están fuera del modelo estándar y los detalles no están claros). La investigación también se centra en la Problema de la jerarquía (por qué la escala débil y Escala de Planck son tan dispares), y los intentos de reconciliar el modelo estándar emergente de la cosmología con el Modelo Estándar de la física de partículas. Muchas preguntas se refieren a la condiciones iniciales que llevaron a la observada actualmente Universo . Algunos ejemplos son: ¿Por qué hay un asunto / antimateria asimetría? ¿Por qué el Universo isotrópico y homogéneo a grandes distancias?