Toda la materia ordinaria que conocemos, desde una estrella hasta una célula, está formada por un conjunto sorprendentemente pequeño de ingredientes. El modelo estándar de la física de partículas organiza esos ingredientes y las fuerzas que actúan entre ellos, y es una de las teorías más exitosas de la historia de la ciencia.
La materia está formada por fermiones, que se dividen en dos grupos. Los quarks, que existen en seis tipos llamados sabores, se combinan para formar protones y neutrones. Los leptones incluyen al electrón y a los neutrinos, además de otras dos partículas más pesadas, el muón y el tau. Los quarks y leptones se agrupan en tres generaciones, con partículas cada vez más masivas, de las cuales solo la primera forma la materia estable cotidiana.
Las interacciones se describen mediante el intercambio de bosones. El fotón transmite la fuerza electromagnética. Los bosones W y Z median la interacción débil, responsable de ciertas desintegraciones radiactivas. Los gluones transmiten la interacción fuerte, que mantiene unidos los quarks dentro de protones y neutrones y, residualmente, a los núcleos atómicos.
El campo de Higgs da masa a las partículas elementales a través de su interacción con ellas. Su partícula asociada, el bosón de Higgs, fue detectada en 2012 en el gran colisionador de hadrones del CERN, casi cinco décadas después de ser propuesta. Completó la lista de partículas predichas por el modelo.
El modelo está construido sobre principios de simetría. Las fuerzas aparecen al exigir que las leyes físicas no cambien bajo ciertas transformaciones locales, una idea elegante y matemáticamente poderosa. A partir de esos principios, se derivan interacciones con predicciones que se han verificado con una precisión extraordinaria.
Predijo partículas como los bosones W y Z, el quark top y el Higgs antes de ser observados. Algunas de sus predicciones, como el momento magnético del electrón, coinciden con los experimentos en más de diez cifras decimales. Es difícil encontrar una teoría científica con un historial de aciertos tan sólido.
El modelo no incluye la gravedad. Tampoco explica la materia oscura ni la energía oscura, que juntas constituyen la mayor parte del universo. No explica por qué hay más materia que antimateria, ni por qué los neutrinos tienen masa, un hecho que hubo que añadir. Tampoco aclara por qué hay tres generaciones ni por qué las masas tienen los valores que tienen.
Se exploran extensiones como la supersimetría, las dimensiones extra y las teorías de gran unificación, y se buscan desviaciones sutiles en experimentos de precisión y en aceleradores de partículas. Hasta ahora no hay evidencia clara de nueva física, lo que hace aún más intrigante el futuro.
Los aceleradores de partículas son microscopios gigantes. Al hacer chocar partículas a energías enormes, se crean estados inestables que se desintegran en otras partículas, que se registran en detectores. Los físicos comparan millones de eventos con las predicciones del modelo, buscando desviaciones. Los experimentos de precisión de baja energía, como la medición del momento magnético del muón, complementan esta búsqueda. Una discrepancia confirmada sería la señal de que hay física más allá del modelo estándar.
El modelo estándar es un monumento a la capacidad humana de comprender la naturaleza. Y sus límites señalan los lugares donde aún quedan descubrimientos fundamentales por hacer.