La evidencia de por qué el Modelo Estándar es una teoría exitosa de la física de partículas

Question

Cuando discuto sobre física con legos en la materia, a menudo me encuentro en la situación de tener que explicar qué es el Modelo Estándar, y por qué es una teoría exitosa de la física de partículas.

Para ayudar en tales situaciones, estoy buscando ejemplos explícitos de dónde el Modelo Estándar ha tenido éxito - es decir, la predicción de ciertas partículas, la increíble concordancia entre los resultados experimentales/teóricos y así sucesivamente.

A la inversa, ¿cuáles son los fallos del Modelo Estándar, si es que hay alguno, (aparte del obvio que no incluye la gravedad)? ¿Existen predicciones teóricas que difieran significativamente de los resultados experimentales?

Answer 1

Las listas terminarán siendo enormes, por lo que sólo mencionaré algunas de cada una. Este es mi intento de respuesta:

Éxitos del Modelo Estándar:

1. Tal vez el mayor éxito del Modelo Estándar es la predicción del Bosón de Higgs. La partícula ha sido verificada experimentalmente en 2012 (si la memoria no me falla) después de que se haya teorizado por más de 50 años.

2. Otros éxitos del modelo estándar incluyen la predicción de los bosones W y Z, el gluón y el quark top y charm, antes de que hayan sido observados.

3. Otra predicción también incluye el momento anómalo del dipolo magnético del electrón, que viene dado por $a = 0.001 159 652 180 73(28)$ lo que resulta en nuestro valor más preciso de la la constante de la estructura fina : $α^{−1} = 137.035 999 070 (98)$ que es una precisión mejor que la de una parte en un mil millones !

4. Wikipedia tiene una tabla con la predicción de las masas del bosón W y Z comparadas con datos experimentales. Es evidente que esas son predicciones extremadamente precisas:

$$ \begin {align*} & \textrm {Quantity}&& \textrm {Measured (GeV)}&& \textrm {SM prediction (GeV)} \\ \hline & \textrm {Mass of W boson}&&80.387 \phantom0\pm0.019\phantom0 &&80.390 \phantom0\pm0.018\phantom0\\ & \textrm {Mass of Z boson}&&91.1876 \pm0.0021 &&91.1874 \pm0.0021 \end {align*} $$

Fallas del Modelo Estándar:

La más grande en mi opinión es la completa ausencia de gravedad en el SM. Como mencionó en su pregunta, sin embargo, está interesado en otros fallos, tal vez menos conocidos.

Esto incluye:

1. El SM predice que los neutrinos no tienen masa. Hemos observado oscilaciones de neutrinos lo que implica que los neutrinos son masivos (por masivo me refiero a que tienen masa, ¡la masa real es diminuta!).

2. El El problema de la jerarquía . En resumen, el SM no puede explicar las grandes diferencias en las constantes de acoplamiento de fuerzas en escalas de baja energía.

3. La contribución de la Energía Oscura que surge del SM es muchos, muchos órdenes de magnitud más alta que la observada.

4. Violación del CP en Cosmología

Answer 2

Las teorías físicas reales se construyen sobre la base de experimentos. Lo que quiero decir es que un modelo como el Modelo Estándar de Física de Partículas no nació como lo hace actualmente. Hubo muchos intentos, ensayo y error, etc.

El éxito del actual SM de la física de partículas se debe principalmente a que se pueden explicar muchas pruebas experimentales dentro de su marco.

Estoy de acuerdo con PhotonicBoom que la predicción de las masas de la $W^{ \pm }$ y $Z$ bosones es uno de los mayores éxitos del SM (o un indicio de la validez del mecanismo de Higgs si se prefiere).

Sin embargo, el verdadero potencial del SM viene con las llamadas mediciones de precisión.

• La masa medida de la $Z$ El bosón está de acuerdo con las predicciones teóricas (incluso cuando se tienen en cuenta las correcciones de bucle).

• El momento giroscópico anómalo del electrón y del muón: aunque todavía hay discrepancias de este último con los datos experimentales, el primero da el mejor acuerdo entre la teoría y el experimento.

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Yo no diría que SM falla en las masas dadoras de neutrinos, explicando el problema de la jerarquía, explicando la materia oscura o incluyendo la gravedad. Simplemente no se pretende cubrir esos temas:

• Se produce la oscilación de los neutrinos, es decir, los neutrinos tienen masas. Esta característica puede ser incluida en el SM sin dolor. Incluso diría que nadie en la comunidad científica diría que el SM no cubre este tema. Pero no tenemos un acuerdo (todavía) sobre el mecanismo de proporcionar masas a los neutrinos.

• Problema de jerarquía: No creo que sea un problema, es un hecho... ¡la naturaleza tiene diferentes escalas! Y el SM no se construye para explicar esto... ¡se mantiene!

• Energía oscura: Sí, está ahí, pero no hay pruebas experimentales (en la física de partículas) de que se necesite DE (o materia oscura). Por lo tanto, yo diría que la DM y la DE tienen un origen gravitacional (o, por supuesto, probablemente estoy equivocado).

• Gravedad: bueno, SM está construido sobre la base de un espacio tiempo plano, por lo que no hay intención de incluir la gravedad en su dominio.