Breve historia del Modelo Estándar

Si consideramos que el nacimiento del Modelo Estándar coincide con la predicción teórica de la idea de quarks, estaríamos hablando de que el Modelo Estándar es casi un cincuentón. Si por otro lado contamos desde cuando se empezó a utilizar el término de Modelo Estándar como una teoría ‘completa’, estaríamos hablando de hace unos 40 años. En cualquier caso, esta sería en breve, la historia del Modelo Estándar a través de las predicciones y los experimentos, empezando en 1964 con la predicción de los quarks.

Descubriendo partículas del Modelo Estándar

Con la introducción de los aceleradores de partículas para el estudio de la física, la década de los cincuenta está marcada por una explosión sin precedentes de nuevas partículas y descubrimientos. En este caldo de cultivo es donde empiezan a fraguarse las bases de lo que después se conocería como el Modelo Estándar. En los años que siguen, aparecen teorías que explican el nuevo zoo de partículas y que además son capaces de hacer predicciones.

1964 – Murray Gell-Mann y George Zweig proponen por primera vez la idea de los quarks. Los mesones y bariones estarían compuestos por quarks. Predijeron la existencia de tres quarks y antiquarks diferentes a los que llamaron : up, down y strange (u, d, s). Los quarks serían partículas con espín 1/2 y carga eléctrica fraccionaria de 2/3, -1/3 y -1/3 respectivamente. Como estas cargas y partículas nunca habían sido observadas, se trato a estos como una simple explicación matemática para el patrón de las partículas y masas, no realmente como partículas reales. Gracias a los experimentos posteriores sabemos que no solo son entidades matemáticas sino que existen como partículas, aunque no tienen una existencia individual aislada.

1964 – Tres grupos diferentes proponen mecanismos que podrían dar lugar a la masa en las teorías de gauge (el Modelo Estándar está formado por teorías gauge). Los resultados se publican en tres artículos diferentes con los autores, Robert Brout y François Englert, Peter Higgs y Gerald Guralnik, C. Richard Hagen, y Tom Kibble. Aunque se otorga la predicción a Peter Higgs, los tres predicen la existencia de un boson y un mecanismo por el que los bosones de gauge pueden adquirir masa en el proceso de una rotura espontánea de la simetría (bosón de Higgs).

Rotura de la simetría - Bosón de Higgs

Finales de 1964 – James Bjorken y Sheldon Glashow, comparando con lo que se sabía para los leptones, sugieren que existiría un cuarto quark, un nuevo sabor. Llaman a este quarkcharm‘ ( c ). Aunque no sería hasta más tarde (1970) que la idea se acepta en la comunidad científica.

1965 – La composición en quarks de la partícula ?++, descubierta en 1952,  violaba el principio de exclusión de Pauli, solo era posible tener este estado cuántico si existía otro número cuántico invisible. O.W. Greenberg, M.Y. Han, and Yoichiro Nambu introducen un nuevo número cuántico, no visible, para los quarks con el nombre de color.

1967 – Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg crean la teoría electro-débil unificando electromagnetismo y las interacciones debiles (ganarían el premio Nobel años más tarde en 1979). La teoría requiere y predice la existencia de un bosón neutro pesado que se llamó bosón Z.

1968-1969 – En Stanford Linear Accelerator (SLAC) en un experimento de electrones contra protones (electron-proton scattering), los electrones parecen rebotar al chocar con núcleos duros dentro de los protones. James Bjorken y Richard Feynman analizan los datos interpretando los rebotes como la presencia de partículas aún más pequeñas dentro del protón. No utilizan el nombre de quarks aunque los resultados proporcionan evidencia de la existencia de estos.

1970 –  Sheldon Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani crean el mecanismo de GIM. Este mecanismo se asocia con la predicción del cuarto quark (charm).  Un cuarto quark permitiría la existencia de interacciones débiles conservando sabor (corrientes neutras) mediante el intercambio de un boson Z. Por otro lado las corrientes neutras con cambio el sabor (FCNC) no están permitidas.

1973 – Los últimos desarrollos teóricos hacen que Donald Perkins replantee la búsqueda de corrientes neutras en el CERN. La colaboración Gargamelle en su búsqueda de las corrientes neutras no había dado resultados hasta la fecha. Entre finales de 1972 y principios de 1973 la cámara de burbujas Gargamelle vuelve a tomar datos. El análisis revelaría la existencia de interacciones débiles sin cambio de carga (corrientes neutras) causadas por el intercambio de un boson Z.

Cámara de burbujas Gargamelle
Cámara de burbujas Gargamelle

1973 – Se formula a teoría de la fuerza fuerte (QCD). La Cromodinámica Cuántica es la teoría de la fuerza fuerte que describe la interacción entre los quarks y gluones que son los constituyentes de los hadrones. Los quarks son los portadores de color mientras que los gluones son los bosones mediadores de la interacción (al igual que los fotones para el electromagnetismo). La fuerza fuerte fue inicialmente teorizada por Harald Fritzsch y Murray Gell-Mann en 1972.  Pero fueron David Politzer, David Gross y Frank Wilczek los que descubrieron que la teoria de color tenía una propiedad especial la libertad asintótica (para distancias muy pequeñas la fuerza se debilita) los quarks tendrían un comportamiento cuasi libre dentro del protón. Esta propiedad era necesaria para explicar los resultados experimentales.

1974 – En una de las conferencias de verano, Iliopoulos reúne por primera vez en un artículo lo que a partir de entonces conocería como el Modelo Estándar de la física de partículas. Solo partículas con quarks u, d y s eran conocidas hasta la fecha, aunque el quark charm era una de las predicciones de la teoría. La mayoría de los físicos seguían escépticos sobre la existencia del cuarto quark. Glashow llegó a decir en una conferencia : “si el quark charm no se descubre en los próximos dos años me como el sombrero“.

There are just three possibilities:
1. Charm is not found and I eat my hat
2. Charm is found by hadron spectroscopy, and we celebrate
3. Charm is found by outlanders, and you eat your hats.
(International Conference on Experimental Meson Spectroscopy, 2-27 April 1974 Boston)

1974 – Se descubre el primer mesón formado por quarks charm. El grupo formado por Burton Richter en SLAC mide una resonancia correspondiente a una nueva partícula a la que llama ?. Al mismo tiempo el grupo liderado por Samuel Ting en Brookhaven National Laboratory (BNL) encuentra la misma señal, denominan a la partícula J. Hoy esta partícula es conocida como J/?. El mesón está compuesto por un quark charm y un anticharm, fue la primera prueba experimental de la existencia del cuarto quark. Richter y Ting compartieron no solo el nombre de la partícula sino también el premio Nobel en 1976.

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1976 – Gerson Goldhaber y Francois Pierre usando el detector Mark I en SLAC observan por primera vez el mesón D0, sería la segunda partícula observada conteniendo quarks charm.

1976 – La colaboración entre SLAC y Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL), liderada por Martin Perl, descubre el leptón tau. Con datos de varios experimentos realizados entre 1974 y 1977 consiguen obtener pruebas de la existencia del nuevo leptón. El descubrimiento tuvo lugar en el Stanford Positron-Electron Asymmetric Ring (SPEAS) en una colaboración de 30 físicos de SLAC y LBL. Después de más de un año de análisis, Martin Perl convenció al resto de la colaboración que lo que estaban observando era realmente una partícula diferente, un nuevo leptón al que llamó ‘tau’ (ver historia del leptón tau).

1977 – El quark bottom fue introducido en 1973 por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa para explicar la violación de la simetría de CP (C conjugación de carga y P paridad). El nombre ‘bottom‘ lo acuña dos años más tarde, en 1975, Haim Harari. Pero es en el verano de 1977, cuando una colaboración encabezada por Leon Lederman en el experimento 288 en Fermilab, descubren la partícula Upsilon. Esta nueva partícula se interpreta como un estado ligado de un quark bottom y su correspondiente antiquark. El resultado fue confirmado un años después de en los experimentos ISR en el CERN (Ginebra) y  DORIS (DESY) en Alemania.

1979 – En 1979 el acelerador electron-positron PETRA empezó a funcionar en DESY alcanzando la energía de 27.4 GeV. Poco tiempo después se observó en el experimento TASSO la primera colisión con tres jets, esto fue interpretado como gluon bremsstrahlung. Fue la primera evidencia de la existencia del gluón. El espín 1 del gluón fue confirmado en 1980 por los experimentos TASSO y PLUTO.

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1983 – La teoría electro-débil predecía la existencia de los bosones W± y Z, se habían encontrado evidencias de la existencia pero no se habían observado. Fue en 1983 cuando dos experimentos (UA1 y UA2) situado en el Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN realizaron el descubrimiento. Carlo Rubbia fue uno de los impulsores de este nuevo acelerador en el CERN así como también el responsable de la colaboración UA1, un acelerador que funcionaba con la nueva técnica “stochastic cooling” inventada por Simon Van der Meer que permitía obtener haces intensos de antiprotones (ver anuncio y artículo en el CERN).

1989 – El estudio de la resonancia de la masa del bosón Z en el acelerador LEP del CERN prueba la existencia de tres, y solo tres, generaciones de partículas.

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1995 – Después de 18 años de búsqueda en varios aceleradores, en Febrero de 1995 se anuncia que el descubrimiento del quark top. Se observa en los dos experimentos del acelerador Tevatron en Fermilab, D0 y CDF. La masa para este último quark predicho y descubierto es de 175 GeV.

2012 – Casi cincuenta años más tarde de su predicción se descubre el bosón de Higgs. Los dos experimentos ATLAS y CMS situados en el acelerador LHC anuncian el 4 de julio el descubrimiento de un nuevo bosón compatible con el bosón de Higgs con una masa alrededor de 125 GeV (resultados ATLAS y CMS).

Esta es muy brevemente la historia de los últimos 50 años en física de partículas. Se han quedado muchos experimentos y predicciones por enumerar. No he comentado nada de las medidas de neutrinos, oscilaciones y masas, por ejemplo. También se quedaron fuera todos los “desarrollos” más allá del Modelo Estándar como la teoría de cuerdas, Super-simetría (SUSY), etc. La lista se centra en las predicciones y comprobaciones experimentales del modelo (ver breve historia). Si hay alguna errata o falta algún dato importante, os animo a dejarlo en los comentarios.

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