Desde la década de 1930, la comunidad científica investigadora en física ha desarrollado una notable comprensión de la estructura fundamental de la materia: se ha descubierto que todo en el universo está hecho de unos pocos constituyentes básicos llamados "partículas fundamentales", los cuales están gobernados por cuatro "fuerzas fundamentales". El Modelo Estándar de la Física de Partículas es la mejor forma de entender cómo se relacionan estas partículas y tres de las fuerzas que rigen sus comportamientos. Este modelo físico, desarrollado a principios de la década de 1970, ha conseguido explicar con éxito casi todos los resultados experimentales obtenidos y ha predicho con precisión una gran variedad de fenómenos que después se han observado. Con el tiempo y a través de muchos experimentos, el Modelo Estándar se ha consolidado como una teoría física bien probada que consigue describir nuestro mundo en sus escalas más pequeñas.
Partículas de la materia
Toda la materia que nos rodea, desde una pelota de fútbol hasta la gran estrella que ilumina nuestro cielo, el Sol, está formada por partículas fundamentales, también llamadas elementales, que son los componentes básicos de la materia. Estas partículas se clasifican en dos tipos o grupos: quarks y leptones. Cada grupo consta de seis partículas, que se relacionan por pares o "generaciones". Las partículas más ligeras y estables constituyen la primera generación, mientras que las más pesadas y menos estables pertenecen a la segunda y tercera. Toda la materia estable del universo está formada por partículas que pertenecen a la primera generación, ya que cualquier partícula más pesada decae rápidamente en otras más estables. Los seis quarks están emparejados en tres generaciones: el "quark up" (quark arriba) y el "quark down" (quark abajo) forman la primera generación, seguidos por el "quark charm" (quark encanto) y el "quark strange" (quark extraño), y luego el "quark top" (quark cima) y el "quark bottom" (quark fondo). Los seis leptones están dispuestos de forma similar en tres generaciones: el "electrón" y el "neutrino del electrón", el "muón" y el "neutrino del muón", y el "tau" y el "neutrino del tau". El electrón, el muón y el tau tienen una carga eléctrica y una masa considerable, mientras que los neutrinos son eléctricamente neutros y tienen muy poca masa.
Partículas portadoras de fuerzas
En el universo actúan cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza fuerte, la fuerza débil, la fuerza electromagnética y la fuerza gravitatoria. Funcionan en distintos rangos y tienen distintas intensidades. La gravedad es la más débil, pero tiene un alcance infinito. La fuerza electromagnética también tiene un alcance infinito, pero es mucho más fuerte que la gravedad. Las fuerzas débil y fuerte solo son efectivas a distancias muy cortas, por lo que únicamente dominan en la escala de las partículas subatómicas. A pesar de su nombre, la fuerza débil es mucho más fuerte que la gravedad, pero es la más débil de las otras tres. La fuerza fuerte, como su nombre indica, es la más fuerte de las cuatro interacciones fundamentales.
Tres de las fuerzas fundamentales, la fuerza fuerte, la débil y la electromagnética, son el resultado del intercambio de partículas portadoras de fuerza, que pertenecen a un grupo más amplio llamado "bosones". Las partículas de la materia transfieren cantidades discretas de energía intercambiando bosones entre sí. Cada fuerza fundamental tiene su propio bosón correspondiente: la fuerza fuerte es transportada por el "gluón", la fuerza electromagnética por el "fotón" y los "bosones W y Z" son responsables de la fuerza débil. Aunque todavía no se ha encontrado, el "gravitón" debería ser la partícula portadora correspondiente a la fuerza de la gravedad.
El Modelo Estándar incluye las fuerzas electromagnética, fuerte y débil y todas sus partículas portadoras, y explica bien cómo estas fuerzas actúan sobre todas las partículas de materia. Sin embargo, la fuerza más conocida en nuestra vida cotidiana, la gravedad, no forma parte del Modelo Estándar, pues resulta muy difícil de describir con este modelo físico. La teoría cuántica, utilizada para describir el micromundo, y la teoría general de la relatividad, utilizada para describir el macromundo, son difíciles de encajar en un único marco teórico, todavía se está trabajando en ello. Nadie ha conseguido que ambas sean matemáticamente compatibles en el contexto del Modelo Estándar. Pero por suerte para la física de partículas, cuando se trata de la minúscula escala de las partículas, el efecto de la gravedad es tan débil que resulta insignificante. Solo cuando la materia está en grandes cantidades, por ejemplo, a la escala del cuerpo humano o de los planetas, el efecto de la gravedad domina. Por tanto, hasta el momento, la ciencia sigue aceptando el Modelo Estándar a pesar de su reticente exclusión de una de las fuerzas fundamentales.
Una de las piezas que faltaba: el bosón de Higgs
En la década de 1960, el físico británico Peter Ware Higgs predijo la existencia de una nueva partícula que parecía ser necesaría a la hora de comprender el Modelo Estándar en su conjunto y las interacciones entre las partículas que lo componen. El 4 de julio de 2012, los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN anunciaron la observación de una nueva partícula en la región de masa alrededor de 126 GeV, compatible con la características del bosón de Higgs predichas por Peter Higgs.
El bosón de Higgs es un tipo de partícula elemental con un papel fundamental en el mecanismo que origina la masa de las partículas elementales. Es la partícula asociada al llamado "campo de Higgs", una especie de continuo que se extiende por el espacio formado por incontables bosones de Higgs. La masa de las partículas estaría causada por una "fricción" con el campo de Higgs: las partículas con una mayor fricción con este campo tienen una masa mayor. El bosón de Higgs era la pieza que faltaba por descubrir en el Modelo Estándar, que hasta entonces no conseguía explicar el origen de la masa. Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente: si el electrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como la conocemos, no habría química, ni biología ni existiríamos nosotros mismos.
¿Se considera terminado el Modelo Estándar?
Lo cierto es que no. Aunque el Modelo Estándar es actualmente la mejor descripción que existe del mundo subatómico, no lo explica al completo. Como ya hemos contado, este modelo sólo incorpora tres de las cuatro fuerzas fundamentales, omitiendo la gravedad. También hay preguntas importantes a las que no da respuesta, como por ejemplo, ¿qué es la materia oscura?, ¿qué pasó con la antimateria después del big bang? o ¿por qué hay tres generaciones de quarks y leptones con una escala de masas tan diferente?
Por último, pero no por ello menos importante, todavía quedan por descifrar muchos de los misterios que rodean a la partícula llamada "bosón de Higgs", predicha por Peter Higgs en la década de los 60 y observada por primera vez en 2012 en las instalaciones del CERN.
Así pues, aunque el Modelo Estándar describe con precisión los fenómenos de su ámbito, sigue siendo incompleto. Tal vez sea solo una parte de un marco teórico mucho más amplio que incluye nueva física oculta en las profundidades del mundo subatómico o en los recovecos oscuros del universo. Futuros experimentos de física de partículas nos ayudarán a encontrar respuestas a las piezas que faltan.
