¿Recuerdas de qué está hecho el Universo? Hoy continuaremos con esta historia… Los ingredientes necesarios para formar un Universo tal y como lo vemos hoy son: 7/10 de energía oscura y  3/10 de materia. A su vez, la materia  debe  incluirse en dos tipos completamente diferentes: Materia oscura y materia normal, que comúnmente es llamada materia bariónica. Para lograr que nuestro universo funcione debemos agregar grandes cantidades de materia oscura y ¡solo una pizca de materia bariónica! Lo más sorprendente es que, a pesar de que el  Universo está hecho mayormente de materia oscura, todo lo que podemos ver corresponde únicamente a esta pequeña cantidad de materia bariónica.

Además de materia, para lograr mejores efectos y un Universo estable, es necesario agregar otro tipo de ingredientes: Las fuerzas fundamentales. Estas fuerzas corresponden a la forma de interacción de la materia y se clasifican en cuatro: fuerza gravitacional, fuerte, débil y electromagnética. 

Toda la información sobre las piezas que conforman la materia bariónica del Universo, y sus interacciones (excepto la interacción gravitacional), está resumida en una teoría que llamamos El Modelo Estándar de Partículas Fundamentales, ver Figura 1. Este modelo es el más importante en la física de partículas y el más preciso para describir todo lo que nos rodea. Nos permite entender cómo es que la vida es posible en un universo tan grande y vacío. Aunque entender a detalle esta teoría puede ser una tarea difícil, se puede resumir de la siguiente manera.

El Modelo Estándar está dividido en dos bloques: partículas de materia, o fermiones, y partículas de interacción, o bosones. Los fermiones están a su vez divididos en dos categorías: quarks y leptones. Existen tres generaciones de fermiones y cada generación se compone de dos quarks y dos leptones de diferentes sabores. 

La primera generación contiene las partículas más abundantes en el Universo. Está compuesta de un quark up (u) y un quark down (d). Combinaciones de estos tres quarks forman los protones (uud) y neutrones (udd), ver Figura 2, que se encuentran en el núcleo atómico. La componente leptónica de la primera generación está constituida del electrón y el neutrino electrónico. Los electrones son las partículas que se encuentran orbitando alrededor del núcleo atómico, formando así todos los átomos que componen las estructuras del Universo.

La segunda generación de fermiones es un poco más masiva que la primera generación.  Está conformada de un quark charm (c) y un quark strange (s), así como de los leptones muón y neutrino muónico. Finalmente, la tercera generación se compone de un quark top (t) y un quark bottom (b), y los leptones tau y su correspondiente neutrino tauónico. Los quarks de la segunda y tercera generación son menos abundantes pero también se combinan para formar otro tipo de partículas. Ya que la segunda y tercera generación contienen quarks y leptones mucho más masivos que aquellas de la primera generación,estos pueden decaer y producir quarks y leptones más ligeros. Por lo tanto, las partículas que se forman con los quarks de la segunda y tercera generación viven muy poco. Esto quiere decir que los quarks que las conforman decaen a quarks más ligeros, formando así materia más estable, como por ejemplo protones y neutrones, que son partículas muy estables ya que están formados por  los dos tipos de quark más livianos (up y down).

El segundo bloque del Modelo Estándar es el que corresponde a las partículas de interacción. Este bloque está conformado por cuatro bosones a los que llamamos bosones gauge y se encargan de mediar todas las fuerzas fundamentales. Las partículas de materia intercambian bosones de gauge para interactuar a través de las distintas fuerzas fundamentales, ver Figura 3. La fuerza electromagnética está mediada por el fotón, es decir, las partículas con carga eléctrica intercambian fotones para realizar la interacción electromagnética. La fuerza fuerte está mediada por bosones de gauge llamados gluones. Esta fuerza corresponde a la carga de color, por lo que partículas con este tipo de carga intercambian gluones para realizar la interacción fuerte. Los quarks, por ejemplo, se mantienen unidos dentro del protón/neutrón mediante la interacción fuerte al intercambiar gluones constantemente. Finalmente, la interacción débil está mediada por los bosones gauge W y Z0. Estas interacciones se relacionan, por ejemplo, a la fusión nuclear en el centro de las estrellas y procesos de decaimiento nuclear. 

En el Modelo Estándar de Partículas Fundamentales todas las partículas, fermónicas y bosónicas, deben tener masa cero. Sin embargo, en los experimentos de colisionadores de partículas y en la vida cotidiana, estas partículas poseen diferentes masas.  Esto llevó a los científicos a buscar una forma elegante y natural de explicar estas masas. En 1964, Brout, Englert y Higgs, establecieron un mecanismo que permite a las partículas adquirir su masa. Básicamente, todas las partículas del Modelo Estándar que interactúen con un bosón llamado, oficialmente, el bosón de Higgs, son partículas masivas. Todas las partículas, a excepción del fotón, los gluones y los neutrinos, interactúan con dicho potencial de Higgs. Entre más grande sea esta interacción, más masiva será la partícula. Esto quiere decir, por ejemplo, que las partículas segunda y tercera generación interactúan de manera más intensa con este potencial. Si la interacción es nula las partículas deberían tener masa cero. Esto es cierto para el caso del fotón y los gluones, pero no para los neutrinos.

Lamentablemente, a pesar de que el Modelo Estándar es una teoría científicamente comprobada, aún no está del todo completa. Este modelo es solo una pequeña parte de una teoría mucho más fundamental. Además de la incógnita del origen de la masa de los neutrinos, tenemos preguntas sobre la naturaleza de la materia oscura y aún mucho más complejo, cómo implementar la fuerza gravitacional en el modelo. 

¿Quieres saber más?

Griffiths, D. (2008), «Introduction to elementary particles«, Wiley-VCH, p. 454.

Cottingham, W., & Greenwood, D. (2007), «An Introduction to the Standard Model of Particle Physics«, Cambridge University Press, 2a ed.