Toda la naturaleza surge de un puñado de componentes -las partículas fundamentales- que interactúan entre sí de unas pocas maneras diferentes. En la década de 1970, los físicos desarrollaron un conjunto de ecuaciones que describen estas partículas e interacciones. En conjunto, las ecuaciones formaron una teoría sucinta que ahora se conoce como el Modelo Estándar de la física de partículas.
Al Modelo Estándar le faltan algunas piezas del rompecabezas (brillan por su ausencia las supuestas partículas que componen la materia oscura, las que transmiten la fuerza de la gravedad y una explicación de la masa de los neutrinos), pero proporciona una imagen extremadamente precisa de casi todos los demás fenómenos observados.
Sin embargo, para un marco que encierra nuestra mejor comprensión del orden fundamental de la naturaleza, el Modelo Estándar sigue careciendo de una visualización coherente. La mayoría de los intentos son demasiado sencillos, o bien ignoran importantes interconexiones o son confusos y abrumadores.
Considere la visualización más común, que muestra una tabla periódica de partículas:
Este enfoque no ofrece una visión de las relaciones entre las partículas. Las partículas portadoras de fuerzas (a saber, el fotón, que transmite la fuerza electromagnética; los bosones W y Z, que transmiten la fuerza débil; y los gluones, que transmiten la fuerza fuerte) se sitúan en el mismo plano que las partículas de materia entre las que actúan esas fuerzas: los quarks, los electrones y sus afines. Además, se omiten propiedades clave como el «color».
Otra representación fue desarrollada para la película de 2013 Particle Fever:
Aunque esta visualización enfatiza adecuadamente la centralidad del bosón de Higgs -el eje del Modelo Estándar, por razones que se explican más adelante- el Higgs se coloca junto al fotón y al gluón, aunque en realidad el Higgs no afecta a esas partículas. Y los cuadrantes del círculo son engañosos – implicando, por ejemplo, que el fotón sólo se acopla a las partículas que toca, lo que no es el caso.
Un nuevo enfoque
Chris Quigg, físico de partículas del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi, en Illinois, lleva décadas pensando en cómo visualizar el Modelo Estándar, con la esperanza de que una representación visual más potente ayude a familiarizar a la gente con las partículas conocidas de la naturaleza y les haga pensar en cómo estas partículas podrían encajar en un marco teórico más amplio y completo. La representación visual de Quigg muestra más del orden y la estructura subyacentes del Modelo Estándar. Llama a su esquema la representación del «doble simplex», porque las partículas zurdas y derechas de la naturaleza forman cada una un simplex, una generalización de un triángulo. Hemos adoptado el esquema de Quigg y hemos hecho otras modificaciones.
Construyamos el doble símplex desde cero.
Los quarks en el fondo
Las partículas de materia vienen en dos variedades principales, los leptones y los quarks. (Nótese que, para cada tipo de partícula de materia en la naturaleza, existe también una partícula de antimateria, que tiene la misma masa pero es opuesta en todos los demás aspectos. Como han hecho otras visualizaciones del Modelo Estándar, eludimos la antimateria, que formaría un doble simplex separado e invertido.)
Empecemos con los quarks, y en particular con los dos tipos de quarks que componen los protones y los neutrones dentro de los núcleos atómicos. Estos son el quark up, que posee dos tercios de unidad de carga eléctrica, y el quark down, con una carga eléctrica de -1/3.
Los quarks up y down pueden ser «zurdos» o «diestros», dependiendo de si giran en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario con respecto a su dirección de movimiento.
Cambio débil
Los quarks up y down zurdos pueden transformarse entre sí, a través de una interacción llamada fuerza débil. Esto ocurre cuando los quarks intercambian una partícula llamada bosón W – uno de los portadores de la fuerza débil, con una carga eléctrica de +1 o -1. Estas interacciones débiles están representadas por la línea naranja:
Extrañamente, no hay bosones W diestros en la naturaleza. Esto significa que los quarks diestros arriba y abajo no pueden emitir ni absorber bosones W, por lo que no se transforman unos en otros.
Colores fuertes
Los quarks también poseen un tipo de carga llamada color. Un quark puede tener carga de color rojo, verde o azul. El color de un quark lo hace sensible a la fuerza fuerte.
La fuerza fuerte une quarks de diferentes colores en partículas compuestas como protones y neutrones, que son «incoloros», sin carga de color neta.
Los quarks se transforman de un color a otro absorbiendo o emitiendo partículas llamadas gluones, los portadores de la fuerza fuerte. Estas interacciones forman los lados de un triángulo. Dado que los gluones poseen carga de color por sí mismos, interactúan constantemente entre sí y con los quarks. Las interacciones entre los gluones llenan el triángulo.