Wednesday, March 27, 2013

Modelo estándar de física de partículas

El modelo estándar, que refleja nuestro estado de conocimiento fundamental sobre la materia, considera que toda la materia esta constituida por las partículas elementales:  los quarks, leptones y bosones gauge.

En 1974, Jogesh Pati y Abdus Salam postularon el preón como una partícula puntual, concebida como subcomponentes de quarks y leptones. El interés en los modelos de preones alcanzó su punto culminante en la década de 1980 pero se ha ralentizado, ya que algunos modelos propuestos fueron descartados por colisionadores y no fueron capaces de predecir un nuevo resultado experimental.

No existe evidencia en la naturaleza de que a su vez los quarks, leptones y bosones gauge estuvieran formados por otras partículas más "pequeñas".

 En la física, las fuerzas son la forma en que las partículas interactúan recíprocamente y se influyen mutuamente.  A nivel macroscópico, por ejemplo, la fuerza electromagnética permite que las partículas interactúen con campos magnéticos y por medio de ellos, y la fuerza de la gravitación permite que dos partículas con masa se atraigan una a otra de acuerdo con la ley de gravitación de Newton. 

El modelo estándar explica que tales fuerzas son el resultado del intercambio de otras partículas por parte de las partículas de materia observadas en el laboratorio y en el universo, conocidas como partículas mediadoras de la fuerza que son la razón por la que existen las fuerzas y las interacciones entre las partículas 

 Cuando se intercambia una partícula mediadora de la fuerza, a nivel macroscópico el efecto es equivalente a una fuerza que influencia a las dos, y se dice que la partícula ha sido el agente que ha mediado esa fuerza. 

 Los bosones son partículas mediadoras de las fuerzas que permite la interacción entre los quarks y leptones.
Las partículas mediadoras de fuerza descritas por el modelo estándar también tienen spin, S=1, significando que todas las partículas mediadoras de fuerza son bosones. Consecuentemente, no siguen el principio de exclusión de Pauli. 
 El Modelo Estándar clasifica a los diferentes tipos de partículas en: (1)Los quarks, hay seis clases diferentes de los cuales hay tres variedades (" colores") rojo, verde y azul, dando lugar a la cromodinámica cuántica. (2) los leptones, hay seis tipos diferentes, hay tres partículas cargadas: el electrón, el muon, y el tauón, y cada uno de estos tiene su neutrino correspondiente.  (3)  Los bosones: el fotón, bosones W y Z , los gluones, los gravitones y bosones de Higgs.

 Los fotones median la fuerza electromagnética entre las partículas eléctricamente cargadas. El fotón no tiene masa y está descrito por la teoría de la electrodinámica cuántica.
Los tres bosones de gauge W+, W–, y Z0 median las interacciones nucleares débiles entre las partículas de diversos sabores (todos los quarks y leptones). Son masivos, con el Z0 más masivo que el W^\pm. Las interacciones débiles que implican al W^\pm actúan exclusivamente en partículas zurdas y no sobre las antipartículas zurdas. Además, el W^\pm lleva una carga eléctrica de +1 y -1 y participa en las interacciones electromagnéticas. El bosón eléctricamente neutro Z0 interactúa con ambas partículas y antipartículas zurdas. Estos tres bosones gauge junto con los fotones se agrupan juntos y medían colectivamente las interacciones electrodébiles.
Los ocho gluones median las interacciones nucleares fuertes entre las partículas cargadas con color (los quarks). Los gluones no tienen masa. Como el gluon tiene una carga efectiva de color, pueden interactuar entre sí mismos. Los gluones y sus interacciones se describen mediante la teoría de la cromodinámica cuántica.
La partícula de Higgs es una partícula elemental (con masa) predicha en el modelo estándar. Tiene spin S=0, por lo que es un bosón.
El bosón de Higgs desempeña un papel único en el modelo estándar, y un papel dominante en explicar los orígenes de la masa de otras partículas elementales, particularmente la diferencia entre el fotón sin masa y los bosones pesados W y Z. Las masas de las partículas elementales, y las diferencias entre el electromagnetismo (causada por el fotón) y la fuerza débil (causada por los bosones W y Z), son críticas en muchos aspectos de la estructura de la materia microscópica (y por lo tanto macroscópica).
El Modelo Estándar describe las Interacciones con los grupos gauge y los bosones asociados a cada una de ellas. Las constantes fundamentales indican la fuerza relativa de cada interacción.
InteracciónGrupo gaugeBosónSímboloFuerza relativa
ElectromagnéticaU(1)fotónƔaem = 1/137
DébilSU(2)bosones intermediosW±, Z0aweak = 1,02 · 10-5
FuerteSU(3)gluones (8 tipos)gas(MZ) = 0,121

A partir de los años 1970 quedó claro que los protones y neutrones son partículas compuestas de otras partículas más simples. 

  Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el modelo estándar. El modelo estándar describe cada tipo de partícula en términos de un campo matemático. 
El modelo estándar de la física de partículas es una teoría que describe las relaciones entre las interacciones fundamentales conocidas y las partículas elementales que componen toda la materia.
La mecánica cuántica (también conocida como la física cuántica o la teoría cuántica) es una rama de la física que se ocupa de los fenómenos físicos a escalas microscópicas, donde la acción es del orden de la constante de Planck. 
Describe la evolución temporal de una partícula masiva no relativista. Es de importancia central en la teoría de la mecánica cuántica. Las partículas microscópicas incluyen a las partículas elementales, tales como electrones, así como sistemas de partículas, tales como núcleos atómicos.
La mecánica cuántica relativista es una generalización de la mecánica cuántica necesaria para entender el comportamiento de las partículas que alcanzan velocidades cercanas a la de la luz, régimen en el cual la ecuación de Schrödinger deja de ser efectiva.
La covariancia de Lorentz (y análogamente la contravariancia de Lorentz) o principio especial de la relatividad se refiere a la propiedad de ciertas ecuaciones físicas de no cambiar de forma bajo cambios de coordenadas de un tipo particular, concretamente es requisito de la teoría especial de la relatividad que las leyes de la física tienen que tomar la misma forma en todos los marcos de referencia inerciales.
El hamiltoniano cuántico H es el observable que representa la energía total del sistema (formalmente se define como un operador autoadjunto definido sobre un dominio denso en el espacio de Hilbert del sistema). 
La ecuación de Dirac de ondas relativista de la mecánica cuántica da una descripción de las partículas elementales de espín ½, como el electrón, y es completamente consistente con los principios de la mecánica cuántica y de la teoría de la relatividad especial. Además de dar cuenta del espín, la ecuación predice la ocurrencia de antipartículas.
La ecuación de Klein-Gordon describe un campo escalar libre en la teoría cuántica de campos. Describe correctamente a los piones sin espín. Los piones son partículas compuestas; no se han encontrado partículas elementales sin espín todavía, aunque se teoriza la existencia del bosón de Higgs como un bosón de espín cero, de acuerdo con el Modelo Estándar.
La teoría cuántica de campos (también denominada teoría de campos cuánticos, TCC o QFT, sigla en inglés de quantum field theory) es una disciplina de la física que aplica los principios de la mecánica cuántica a los sistemas clásicos de campos continuos, como por ejemplo el campo electromagnético. Una consecuencia inmediata de esta teoría es que el comportamiento cuántico de un campo continuo es equivalente al de un sistema de partículas cuyo número no es constante, es decir, que pueden crearse o destruirse.
En particular, la teoría cuántica del campo electromagnético, conocida como electrodinámica cuántica (QED acrónimo de Quantum Electrodynamics) describe los fenómenos que implican las partículas eléctricamente cargadas que obran recíprocamente por medio de la fuerza electromagnética. Fue el primer ejemplo de teoría cuántica de campos que se estudió y es la teoría física probada experimentalmente con mayor precisión.
El espín (del inglés spin 'giro, girar') o momento angular intrínseco se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo. Se trata de una propiedad intrínseca de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica
El teorema de la estadística del espín de la mecánica cuántica establece la relación directa entre el espín de una especie de partícula con la estadística que obedece:
El principio de exclusión de Pauli es un principio cuántico que establece que no puede haber dos fermiones con todos sus números cuánticos idénticos (esto es, en el mismo estado cuántico de partícula individual) en el mismo sistema cuántico ligado. 
Son fermiones, por ejemplo, los electrones y los quarks (estos últimos son los que forman los protones y los neutrones). 
Un fermión es uno de los dos tipos básicos de partículas que existen en la naturaleza (el otro tipo son los bosones). Los fermiones se caracterizan por tener  espín semi-entero (1/2, 3/2,...).
En la descripción de la mecánica cuántica no relativista las funciones de onda de los fermiones son antisimétricas, lo cual se corresponde con el hecho de que obedecen la estadística de Fermi-Dirac verificando, por tanto, el principio de exclusión de Pauli. Esta propiedad implica, que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo. 
En el modelo estándar existen dos tipos de fermiones fundamentales, los quarks y los leptones. 
En el modelo estándar de física de partículas los fermiones se consideran los constituyentes básicos de la materia, que interactúan entre ellos vía bosones de gauge. Todas las partículas elementales "observadas" son fermiones o bosones dependiendo de si su espín es entero o semientero.  
Una partícula compuesta, formada por varias elementales, puede ser también un fermión o un bosón dependiendo sólo del número de fermiones que contenga.
El potencial de Yukawa (también denominado potencial de Coulomb apantallado) para partículas con espín cero en unidades del sistema internacional es de la forma:
V(r)= -\frac{g_s}{4\pi r}e^{-\frac{m r c}{\hbar}}
Donde:
g_s\,, es la constante de acoplamiento que da la intensidad de la fuerza efectiva.
m\,, es la masa del pión intercambiado.
c, \hbar\,, son la velocidad de la luz y la constante de Planck racionalizada.
Este campo fue introducido para aproximar la interacción de protones y neutrones en el núcleo atómico.
 Es una interacción entre un campo escalar \phi y un campo de Dirac \Psi de la forma
g\bar\Psi \phi \Psi (escalar)
o
g \bar \Psi \gamma^5 \phi \Psi (pseudoescalar).
La interacción de Yukawa puede utilizarse para describir la fuerza nuclear fuerte entre nucleones (que son fermiones), mediada por piones (que sonmesones seudoescalares). La interacción de Yukawa también se usa en el modelo estándar para describir el acoplamiento entre el campo de Higgs y losquarks sin masa y campos electrónicos. Por medio de una ruptura espontánea de la simetría, los fermiones adquieren una masa proporcional al valor esperado en el vacío del campo de Higgs.
Un fermión de Dirac es un fermión que no es su propia antipartícula. Todos los fermiones en el Modelo Estándar, excepto posiblemente los neutrinos, son fermiones de Dirac.
Un fermión de Majorana es un fermión que es su propia antipartícula. No se conocen fermiones elementales con su propia antipartícula, pero en fisica de materia condensada han sido descubiertos hace mucho los fermiones de Majorana como cuasipartículas o en superconductores (formando una dupla con o sin acoplamiento spin-orbital). Los fermiones de Majorana se han podido observar en la naturaleza. En la universidad de Delf el físico Leo Kouwehoven logró observar estos ferminones de Majorana por medio de nano fibras. En 1937 Ettore Majorana declaró su existencia pero no le fue posible su demostración. Esta, sin embargo, fue demostrada en el año 2012
El neutralino de los modelos supersimétricos es un fermión de Majorana.
El electrón (e−) es una partícula elemental subatómica con una carga eléctrica elemental negativa. Tiene una masa que es aproximadamente 1836 veces menor con respecto a la del protón. Elmomento angular (espín) intrínseco del electrón es un valor semientero en unidades de ħ, lo que significa que es un fermión. Su antipartícula es denominada positrón: es idéntica excepto por el hecho de que tiene cargas —entre ellas, la eléctrica— de signo opuesto. Cuando un electrón colisiona con un positrón, las dos partículas pueden resultar totalmente aniquiladas y producir fotones de rayos gamma.
Los electrones, que pertenecen a la primera generación de la familia de partículas de los leptones, participan en las interacciones fundamentales, tales como la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil.
Un leptón es una partícula con espín -1/2 en el caso de los neutrinos y +/- 1/2 en los demás leptones (un fermión) que no experimenta interacción fuerte. Los leptones forman parte de una familia de partículas elementales conocida como la familia de los fermiones, al igual que los quarks.
Un leptón es un fermión fundamental sin carga hadrónica o de color. Existen seis leptones y sus correspondientes antipartículas: el electrón, el muon, el tau y tres neutrinos asociados a cada uno de ellos.
Los quarks junto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la materia. Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas tales como protones y neutrones.
Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales. Son partículas parecidas a los gluones en peso y tamaño, esto se asimila en la fuerza de cohesión que estas partículas ejercen sobre ellas mismas. Son partículas de espín 1/2, por lo que sonfermiones. Forman, junto a los leptones, la materia visible.
Hay seis tipos distintos de quarks que los físicos de partículas han denominado de la siguiente manera:
Fueron nombrados arbitrariamente basados en la necesidad de nombrarlos de una manera fácil de recordar y usar, además de los correspondientes antiquarks. Las variedades extraña, encanto, fondo y cima son muy inestables y se desintegraron en una fracción de segundo después del Big Bang,
Un nucleón corresponde al nombre colectivo para dos partículas: el neutrón y el protón (ambas formadas por quarks de primera generación, los más ligeros). Los nucleones son dos de los consituyentes del núcleo atómico, que también contendría piones portadores de la interacción que mantiene unidos a los nucleones. 
El modelo de quarks es un esquema de clasificación de hadrones en términos de sus quarks de valencia, p.e. el quark (y el antiquark) que den lugar a números cuánticos de hadrones.
Un hadrón es una partícula subatómica formada por quarks que permanecen unidos debido a la interacción fuerte entre ellos. Los hadrones son partículas compuestas por quarks y/o antiquarks. Hay de dos tipos de hadrones (sin contar los casos "exóticos"):
- Los bariones están compuestos por tres quarks con cargas de color diferente, se dice que su carga de color global es "neutra" o "blanca", al tener las tres cargas de color compensadas entre sí. Los neutrones y protones también llamados conjuntamente nucleones son ejemplos de bariones.
- Los mesones están formados por un quark y un antiquark.

Los piones tienen espín cero, y están compuestos por la primera generación de quarks. Un quark "up" y otro "anti-down" componen el π+, mientras que un quark "down" y otro "anti-up" componen el π−, suantipartícula. La combinación "up-antiup" y "down-antidown" constituyen el π0, el cual es su propia antipartícula.
El mesón π± tiene una masa de 139,6 MeV/c2 y una vida media de 2,6 × 10−8 segundos. La desintegración principal es en un muon y un neutrino:
En física de partículas, un bosón es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales de la naturaleza (el otro tipo son los fermiones).  Se caracterizan por:
  1. Tener un espín entero (0,1,2,...).
  2. No cumplen el principio de exclusión de Pauli y siguen la estadística de Bose-Einstein. Esto hace que presenten un fenómeno llamado condensación de Bose-Einstein (el desarrollo de máseres y láseres fue posible puesto que los fotones de la luz son bosones).
  3. La función de onda cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas.
El gluón es el bosón portador de la interacción nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales. No posee masa ni carga eléctrica, pero sí carga de color, por lo que además de transmitir la interacción fuerte también la sufre. El gluon es un bosón sin masa, con espín 1. 
La teoría que postula la existencia de los gluones y describe su dinámica se llama cromodinámica cuántica. El nombre hace alusión a "pegamento" (glue), estas partículas son las que "unen" los quarks dentro de los nucleones.
La física de partículas es la rama de la física que estudia los componentes elementales de la materia y las interacciones entre ellos.
Las partículas fundamentales se subdividen en bosones (partículas de espín entero, como por ejemplo 0, 1, 2...), que son las responsables de transmitir las fuerzas fundamentales de la naturaleza, y fermiones (partículas de espín semientero, como por ejemplo 1/2 o 3/2).
En física, se denominan interacciones fundamentales los cuatro tipos de campos cuánticos mediante los cuales interactúan las partículas. Según el modelo estándar, las partículas que interaccionan con las partículas materiales, fermiones, son los bosones.
Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.
Los efectos de esta fuerza sólo se aprecian a distancias muy pequeñas, del tamaño de los núcleos atómicos, y no se perciben a distancias mayores a 1 fm. 
En el modelo estándar de la física de partículas, ésta se debe al intercambio de los bosones W y Z, que son muy masivos. El efecto más familiar es eldecaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. La palabra "débil" deriva del hecho que un campo de fuerzas es de 1013 veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.
La interacción electromagnética es la interacción que ocurre entre las partículas con carga eléctrica. Desde un punto de vista macroscópico y fijado un observador, suele separarse en dos tipos de interacción, la interacción electrostática, que actúa sobre cuerpos cargados en reposo respecto al observador, y la interacción magnética, que actúa solamente sobre cargas en movimiento respecto al observador.
Las partículas fundamentales interactúan electromagnéticamente mediante el intercambio de fotones entre partículas cargadas. La electrodinámica cuántica proporciona la descripción cuántica de esta interacción, que puede ser unificada con la interacción nuclear débil según el modelo electrodébil.
 Origina la aceleración que experimenta un cuerpo físico en las cercanías de un objeto astronómico. 

Albert Einstein demostró que: «Dicha fuerza es una ilusión, un efecto de la geometría del espacio-tiempo. La Tierra deforma el espacio-tiempo de nuestro entorno, de manera que el propio espacio nos empuja hacia el suelo». Aunque puede representarse como un campo tensorial de fuerzas ficticias.
La gravedad posee características atractivas, mientras que la denominada energía oscura tendría características de fuerza gravitacional repulsiva, causando la acelerada expansión del universo.
Un objeto astronómico es una entidad física significativa, una asociación o estructura que la ciencia ha confirmado que existe en el Universo. Eso no significa necesariamente que la ciencia actual no refute su existencia. 
En física, una onda gravitacional es una ondulación del espacio-tiempo producida por un cuerpo masivo acelerado. Las ondas gravitacionales constituyen una consecuencia de la teoría de la relatividad general de Einstein y se transmiten a la velocidad de la luz. Hasta ahora no ha sido posible detectar ninguna de estas ondas, aunque sí existen evidencias indirectas de ellas, como el decaimiento del periodo orbital observado en un púlsar binario. 
Una teoría de campo gauge (o teoría de gauge o teoría de "recalibración") es un tipo de teoría cuántica de campos que se basa en el hecho de que la interacción entre fermiones puede ser vista como el resultado de introducir transformaciones "locales" pertenecientes al grupo de simetría interna en el que se base la teoría gauge.
Un grupo de Lie es una variedad diferenciable real o compleja que es también un grupo tal que las operaciones de grupo (multiplicación e inversión) son funciones diferenciables o analíticas, según el caso. Los grupos de Lie son importantes porque sirven para describir la simetría de estructuras analíticas.
Un campo de Yang-Mills es un tipo campo físico usado sobre todo en teoría cuántica de campos cuyo lagrangiano tiene la propiedad de ser invariante bajo unatransformación de gauge local.
(QCD) es una teoría cuántica de campos que describe una de las fuerzas fundamentales, la interacción fuerte. Fue propuesta a comienzos de los años 70  como teoría para entender la estructura de los bariones (colectivos de tresquarks, como protones y neutrones) y mesones (pares quark-antiquark, como los piones).
El protón es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva 1 (1,6 × 10-19 C) igual en valor absoluto y de signo contrario a la del electrón, y una masa 1.836 veces superior a la de un electrón. Experimentalmente, se observa el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque algunas teoríaspredicen que el protón puede desintegrarse en otras partículas.
Los protones son partículas compuestas por tres partículas elementales de espín 1/2: dos quarks arriba y un quark abajo, las cuales también están unidos por la fuerza nuclear fuerte mediada por gluones. La masa de estos tres quarks sólo supone un 5% de la masa del protón. El resto proviene del cómputo de la energía de enlace al considerar el mar de gluones y los pares quark-antiquark que los rodean.
En cuanto a su clasificación, los protones son partículas de espín 1/2, por lo tanto fermiones (partículas de espín semientero). Al experimentar la interacción nuclear fuerte decimos que son hadrones, y dentro del conjunto de hadrones, bariones, que es como se designa a los hadrones que a su vez son fermiones.
El neutrón es una partícula subatómica, un nucleón, sin carga neta, presente en el núcleo atómico de prácticamente todos los átomos, excepto el protio. Aunque se dice que el neutrón no tiene carga, en realidad está compuesto por tres partículas fundamentales cargadas llamadas quarks, cuyas cargas sumadas son cero. Por tanto, el neutrón es un barión neutro compuesto por dos quarks de tipo abajo, y un quark de tipo arriba.
Fuera del núcleo atómico, los neutrones son inestables, teniendo una vida media de 15 minutos (885,7 ± 0,8 s);2 cada neutrón libre se descompone en un electrón, un antineutrino y un protón. Su masa es muy similar a la del protón, aunque ligeramente mayor.
El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos, a excepción del isótopo hidrógeno-1. La interacción nuclear fuerte es responsable de mantenerlos estables en los núcleos atómicos.
En astrofísica y cosmología física se denomina materia oscura a la hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética para ser detectada con los medios técnicos actuales, pero cuya existencia se puede deducir a partir de los efectos gravitacionales que causa en la materia visible, tales como las estrellas o las galaxias, así como en las anisotropías del fondo cósmico de microondas presente en el universo. 
El neutralino es una partícula elemental hipotética de tipo fermiónico y eléctricamente neutra que aparece en algunas versiones de las teorías o modelos de partículas con supersimetría. El símbolo estándar de los neutralinos es N͂0 1 (el más ligero), N͂0 2, N͂0 3 and N͂0 4 (el más pesado) aunque ocasionalmente también se representan mediante \tilde{\chi}^0_i (chi), donde i va de 1 a 4.
En cosmología, el neutralino se considera una posible WIMP, y por lo tanto buena candidata para resolver el problema de la materia oscura.
Según la supersimetría, las supercompañeras del bosón Z (zino), el fotón (fotino) y el bosón de Higgs (higgsino) tienen todas los mismos números cuánticos, así que se mezclan para formar neutralinos. Prácticamente indetectable, sólo interactúa a través de la gravedad y de la interacción débil, no presentando carga eléctrica ni de color. Es un fermión y si existe y es estable (algo que se desconoce), podría tener una masa comprendida entre 30 y 5000 GeV/c^2.
En astrofísica, WIMP (sigla en inglés de weakly interacting massive particles; en español "partículas masivas que interactúan débilemente") son unas partículas hipotéticas que podrían explicar el problema de la materia oscura. Estas partículas interactúan debido a la interacción nuclear débil y la gravedad y, posiblemente, a través de otras interacciones no más fuertes que la fuerza nuclear débil. No se pueden ver directamente, ya que no interactúan y no emiten radiación electromagnética y tampoco reaccionan enérgicamente con el núcleo del átomo debido a que no interactúan con la fuerza nuclear fuerte.
La teoría de cuerdas es un modelo fundamental de la física que básicamente asume que laspartículas materiales aparentemente puntuales son en realidad "estados vibracionales" de un objeto extendido más básico llamado "cuerda" o "filamento".
De acuerdo con esta propuesta, un electrón no es un "punto" sin estructura interna y de dimensión cero, sino un amasijo de cuerdas minúsculas que vibran en un espacio-tiempo de más de cuatro dimensiones. Un punto no puede hacer nada más que moverse en un espacio tridimensional. De acuerdo con esta teoría, a nivel "microscópico" se percibiría que el electrón no es en realidad un punto, sino una cuerda en forma de lazo. Una cuerda puede hacer algo además de moverse; puede oscilar de diferentes maneras. Si oscila de cierta manera, entonces, macroscópicamente veríamos un electrón; pero si oscila de otra manera, entonces veríamos un fotón, o un quark, o cualquier otra partícula del modelo estándar. Esta teoría, ampliada con otras como la de las supercuerdas o la Teoría M, pretende alejarse de la concepción del punto-partícula.
La teoría de cuerdas bosónica es la versión original de la teoría de cuerdas, desarrollada en los años 1960. Predice la existencia de los taquionesreteniendo inquietantes propiedades como la ausencia de fermiones. Todas sus partículas son bosones (de allí proviene su nombre). Los físicos han calculado que la teoría de cuerdas bosónica requiere de 26 dimensiones espacio-temporales: 25 dimensiones de espacio y una de tiempo.
Originalmente era básicamente una teoría de las interacciones fuertes, a diferencia de las modernas teorías de supercuerdas que básicamente son teorías de campo unificado de la gravedad y el resto de interacciones fundamentales. 
La supersimetría es una simetría hipotética que podría relacionar las propiedades de los bosones y los fermiones. La supersimetría también es conocida por el acrónimo inglés SUSY.
Aunque todavía no se ha verificado experimentalmente que la supersimetría sea una simetría de la naturaleza,1 Sin embargo, reviste interés teórico porque la supersimetría puede resolver diversos problemas teóricos como el problema de la jerarquía además de ofrecer candidatos adicionales para explicar la materia oscura.
La supersimetría es parte fundamental de muchos modelos teóricos, entre ellos la teoría de supercuerdas, que generaliza a la teoría de cuerdas.
Según el modelo estándar (SM, de sus siglas en inglés) de la física de partículas, la materia está formada por fermiones (a su vez divididos en quarks y leptones), mientras que las partículas que transmiten las dos interacciones fundamentales de la naturaleza (interacción fuerte e interacción nuclear electrodébil) son bosones. La supersimetría extiende el número de partículas del SM de forma que a cada partícula le corresponde una compañera supersimétrica denominada super compañera. Así, cada bosón tiene una super compañera fermión y viceversa. Las super compañeras de los fermiones son bosones y reciben nombres que comienzan con la letra s; así, el electrón tiene como super compañera el selectrón, y losquarks, los squarks. Las super compañeras de los bosones son fermiones con nombres que terminan en -ino, así la del fotón es el fotino y la del gravitón (si se incluye la gravedad en el modelo), el gravitino. La extensión mínima del modelo estándar que incluye supersimetría se conoce como MSSM (del inglés: Minimal Supersymmetric Standard Model).
La teoría de supercuerdas es un esquema teórico para explicar todas las partículas y fuerzas fundamentales de la naturaleza en una sola teoría, que modela las partículas y campos físicos como vibraciones de delgadas cuerdas supersimétricas, las cuales se mueven en un espacio-tiempo de más de 4 dimensiones.
Una de las motivaciones esgrimidas por los teóricos de las supercuerdas es que el esquema es una de las mejores teorías candidatas para formular una teoría cuántica de la gravedad. La teoría de las supercuerdas es una taquigrafía de la teoría supersimétrica de cuerdas porque, a diferencia de la teoría de cuerdas bosónica, ésta es la versión de la teoría de cuerdas que, mediante la supersimetría, incorpora a los fermiones.
La teoría de las supercuerdas comprende cinco teorías o formulaciones alternativas de teorías de cuerdas combinadas, en la que se han introducido requerimientos de supersimetría. El nombre de teoría de cuerdas se usa actualmente como sinónimo, ya que todas las teorías de cuerdas ampliamente estudiadas son, de hecho, teorías de supercuerdas.
La idea fundamental es que las partículas en realidad son cuerdas que vibran en resonancia a una frecuencia de la longitud de Planck y en donde el gravitón sería una cuerda de espín 2 y masa nula.
Recientemente se ha podido probar que varias de estas formulaciones son equivalentes y tras todas ellas podría existir una teoría unificada o teoría del todo. Las cinco teorías existentes no serían más que casos límite particulares de esta teoría unificada, denominada provisionalmente como Teoría M. Esta teoría M intenta explicar a la vez todas las partículas subatómicasexistentes y unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Define el universo formado por multitud de cuerdas vibrantes, ya que es una versión de la teoría de cuerdas que incorpora fermiones y la supersimetría.
El principal problema de la física actual es poder incorporar la fuerza de la gravedad tal y como la explica la teoría de la relatividad general al resto de las fuerzas físicas ya unificadas. La teoría de las supercuerdas sería un método de unificación de dichas teorías. La teoría está lejos de estar acabada y perfilada, ya que hay muchísimas variables sin definir, por lo que existen varias versiones de la misma.
Una teoría de Gran Unificación (TGU, o GUT por "Grand Unification Theory") es una teoría que unifica tres de las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza nuclear débil,fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética. La fuerza de gravedad no es considerada en las teoría de Gran Unificación, pero sí en una eventual Teoría del Todo (TOE), que consideraría las cuatro interacciones fundamentales.

El siguiente paso hacia la unificación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza fue el incluir la interacción fuerte con las fuerzas electrodébiles en una teoría llamada Gran Teoría Unificada. Una teoría cuántica de la interacción fuerte fue desarrollada en los 1970s bajo el nombre de cromodinámica cuántica.
La interacción fuerte actúa entre quarks mediante el intercambio de partículas llamadas gluones. Hay ocho tipos de gluones, cada uno transportando una carga de color y una carga de anti-color. Basándose en esta teoría, Sheldon Glashow y Howard Georgi propusieron la primera gran teoría unificada en 1974, que se aplicaba a energías por encima de 1000 GeV. Desde entonces ha habido nuevas propuestas, aunque ninguna está aceptada en la actualidad de manera universal. El mayor problema de estas teorías es la enorme escala de energías que requieren las pruebas experimentales, que están fuera del alcance de los aceleradores actuales.
Sin embargo, hay algunas predicciones que se han hecho para procesos de bajas energías que no requieren los aceleradores. Una de estas predicciones es que el protón es inestable y puede decaer. Por el momento, se desconoce si el protón decae, aunque los experimentos han determinado un límite inferior para su vida media de  10^{35}  años. Por ello, por el momento es incierto el que esta teoría sea una descripción adecuada de la materia.
El término teoría de campo unificado fue introducido por Einstein cuando intentó tratar unificadamente la gravedad y el electromagnetismo mediante una teoría de campos unificada. Previamente Maxwell había logrado en 1864 lo que denominaríamos primera teoría unificada, al formular una teoría de campo que integraba la electricidad y el magnetismo.
La búsqueda de Einstein de una teoría de campo unificado para el campo electromagnético y el campo gravitatorio, generalizando su teoría general de la relatividad fue infructuosa. Otro intento interesante de unificar estas dos teorías fue la teoría de Kaluza-Klein alguna de cuyas ideas inspiraron algunos aspectos de la teoría de cuerdas moderna, un ambicioso intento de formular una teoría del todo.
La siguiente lista recoge las teorías de campo unificado según una cronología histórica:
Supergravedad (teoría de supergravedad) es una teoría de campos que combina el principio de supersimetría y relatividad general. Estas teorías juntas implican que, en supergravedad, la supersimetría es una Simetría local (al contrario que las teorías supersimétricas no gravitacionales, como la supersimetría mínima del modelo estándar (MSSM en inglés)).
La teoría del todo (o ToE por sus siglas en inglés, "Theory of Everything") es una teoría hipotética de la Física teórica que explica y conecta en una sola todos los fenómenos físicos conocidos. Inicialmente, el término fue usado con una connotación irónica para referir a varias teorías sobregeneralizadas. Después el término se popularizó en la Física Cuántica al describir una teoría que podría unificar o explicar a través de un modelo simple de teorías todas las interacciones fundamentales de la naturaleza.
Hubo numerosas teorías del todo propuestas por físicos teóricos en el siglo pasado, pero hasta ahora ninguna ha sido capaz de superar una prueba experimental, han tenido tremendas dificultades para que sus teorías tengan resultados experimentales estables. El primer problema en producir una teoría del todo es que las teorías aceptadas, como la mecánica cuántica y la relatividad general, son radicalmente diferentes en las descripciones del universo: las formas sencillas de combinarlas conducen rápidamente a la "renormalización" del problema, en donde la teoría no nos da resultados finitos para datos cuantitativos experimentales.
La primera revolución de supercuerdas es un período de descubrimientos importantes en teoría de cuerdas entre 1984 y 1986. Los físicos entendieron que la teoría de cuerdas era capaz de describir todas las partículas e interacciones elementales entre ellas, y centenares de ellos comenzaron a trabajar en teoría de cuerdas como la idea más prometedora para unificar teorías en la física. La revolución comenzó con el descubrimiento de la cancelación de la anomalía en teoría de cuerdas de tipo I de Michael Green y John Schwarz en 1984. La anomalía es cancelada debido al mecanismo Green-Schwarz. Otros muchos descubrimientos seminales, tales como la cuerda heterótica, fueron hechos en 1985. Además en 1985 se constató que para obtener la supersimetría "N = 1", se requería la existencia de 6 dimensiones extra compactificadas en forma de variedad de Calabi-Yau. Estas dimensiones adicionales serían inobservables por estar compactificadas.
La segunda revolución de supercuerdas se refiere al conjunto innovaciones en la teoría de cuerdas que ocurrió aproximadamente entre 1994 y 1997 y que llevaron a la aceptación final de la teoría de cuerdas por parte de la comunidad de físicos de partículas ajenos a la teoría de cuerdas.

Las diversas versiones de la teoría de supercuerdas fueron unificadas, según se esperaba desde hacía tiempo, por nuevas equivalencias. Éstas se conocen como dualidad-S, dualidad-T, dualidad-U, simetría especular, y transiciones de conifold. Las diversas teorías de cuerdas también fueron conectadas con una nueva teoría 11-dimensional llamada teoría M.

Nuevos objetos llamados branas fueron captados como ingredientes inevitables de la teoría de cuerdas. Su análisis - especialmente el análisis de un tipo especial de branas llamadas D-branas - condujo a la correspondencia AdS/CFT, a la comprensión microscópica de las propiedades termodinámicas de los agujeros negros, y a muchos otros progresos.

  • Las cinco versiones de las teorías de cuerdas
La teoría de supercuerdas es algo actual. En sus principios (mediados de los años 1980) aparecieron unas cinco teorías de cuerdas, las cuales después fueron identificadas como límites particulares de una sola teoría: la Teoría M. Las cinco versiones de la teoría actualmente existentes, entre las que pueden establecerse varias relaciones de dualidad son:
  1. La Teoría de cuerdas de Tipo I, donde aparecen tanto "cuerdas" y D-branas abiertas como cerradas, que se mueven sobre un espacio-tiempo de 10 dimensiones. Las D-branas tienen 1, 5 y 9 dimensiones espaciales.
  2. La Teoría de cuerdas de Tipo IIA, es también una teoría de 10 dimensiones pero que emplea sólo cuerdas y D-branas cerradas. Incorpora dos gravitines (partículas teóricas asociadas al gravitón mediante relaciones de supersimetría). Usa D-branas de dimensión 0, 2, 4, 6, y 8.
  3. La Teoría de cuerdas de Tipo IIB.
  4. La Teoría de cuerda heterótica SO(32) (Heterótica-O), basada en el grupo de simetría O(32).
  5. La Teoría de cuerda heterótica E8xE8 (Heterótica-E), basada en el grupo de Lie excepcional E8. Fue propuesta en 1987 por Gross, Harvey, Martinec y Rohm.
La Teoría de cuerdas Tipo I es una de las cinco teorías de supercuerdas (teorías de supercuerdas consistentes con supersimetría) en 10 dimensiones. Fue desarrollada por Michael B. Green y John H. Schwarz en 1984, al descubrir que las anomalías de la teoría de cuerdas de Tipo I se cancelaban añadiendo una supersimetría SO(32), lo que provocó la "primera revolución de supercuerdas". Es la única cuyas cuerdas son no orientadas (ambas orientaciones de una cuerda son equivalentes) y que, a diferencia del resto de teorías de supercuerdas, contiene no solamente cuerdas cerradassino también cuerdas abiertas.
La Teoría de cuerdas Tipo IIA es una de las cinco teorías consistentes de supercuerdas y una de los dos tipos de teoría de cuerdas de tipo II, con una supersimetría en 10 dimensiones. Difiere de la teoría de tipo IIB principalmente en el hecho de que esta última es quiral (violando laparidad).
La Teoría de cuerdas Tipo IIB es una de las cinco teorías consistentes de supercuerdas y una de los dos tipos de teoría de cuerdas de tipo II, con una supersimetría en 10 dimensiones. Difiere de la teoría de tipo IIA principalmente en el hecho de que la esta última es no quiral (conservando la paridad).
La Teoría de cuerda heterótica SO(32), o cuerda HO, es una de las cinco teorías consistentes de supercuerdas y una de las dos teorías de cuerda heterótica, ambas de con supersimetría en 10D, las cuales están basadas en un peculiar híbrido de una supercuerda de tipo I y una cuerda bosónica. Difiere de la otra teoría heterótica en su grupo gauge, que es E8xE8. La teoría heterótica SO(32) fue propuesta David Gross, Jeffrey Harvey, Emil Martinec y Ryan Rohm en 1984.
La  Teoría de cuerda heterótica E8×E8, o cuerda HE, es una de las cinco teorías consistentes de supercuerdas y una de las dos teorías de cuerda heterótica, ambas de con supersimetría en 10D, las cuales están basadas en un peculiar híbrido de una supercuerda de Tipo I y una cuerda bosónica. Difiere de la otra teoría heterótica en su grupo gauge, que es SO(32). La teoría heterótica E8xE8 fue propuesta por P. Candelas, G.T. Horowitz, A. Strominger, y E.Witten en 1984.
la Teoría-M (a veces denominada Teoría-U) es la proposición de una “Teoría universal” que unifique las cinco teorías de las Supercuerdas. Basada en los trabajos de varios científicos teóricos (incluidos: Chris Hull, Paul Townsend, Ashoke Sen, Michael Duff y John H. Schwarz), Edward Witten, del “Institute for Advanced Study”, sugirió la existencia de las Supercuerdas en una conferencia en laUniversidad del Sur de California en 1995, usando a la Teoría-M para explicar un número de dualidades previamente observadas, dando el chispazo para una nueva investigación de la teoría de las cuerdas llamada segunda revolución de supercuerdas.
En esta teoría se identifican 11 dimensiones, donde la supergravedad interactúa entre membranas de 2 a 5 dimensiones. Esto evidenciaría la existencia de infinitos Universos paralelos, algunos de los cuales serían como el nuestro con mayores o menores diferencias, y otros que serían impensables con 4 ó 5 dimensiones. Esto explicaría la debilidad de la gravedad, pues la partícula del gravitón sería la única que podría pasar por todas las membranas, perdiendo su fuerza.
A comienzos de los años 1990, se demostró que las varias teorías de las Supercuerdas estaban relacionadas por dualidades, que permitían a los físicos relacionar la descripción de un objeto en una teoría de Supercuerda para eventualmente describir un objeto diferente de otra teoría. Estas relaciones implican que cada una de las teorías de Supercuerdas es un diferente aspecto de una sola teoría, propuesta por Witten, y llamada “Teoría-M”
La Teoría-M no está completa; sin embargo, puede aplicarse a muchas situaciones. La teoría del electromagnetismo también se encontraba en el mismo estado a mediados del siglo XIX; había teorías separadas para el magnetismo y la electricidad y, aunque eran conocidas por estar relacionadas, la relación exacta no se clarificó hasta que James Clerk Maxwell publicó sus ecuaciones en su trabajo de 1864, Una Teoría Dinámica del Campo Electromagnético. Witten había sugerido que una fórmula general de la teoría-M probablemente requeriría del desarrollo de un nuevo lenguaje matemático. Algunos científicos han cuestionado los éxitos tangibles de la Teoría-M dado su estado incompleto y su poder limitado de predicción incluso después de años de intensas investigaciones.
La gravedad cuántica es el campo de la física teórica que procura unificar la teoría cuántica de campos, que describe tres de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, con la relatividad general, la teoría de la cuarta fuerza fundamental: lagravedad. La meta es lograr establecer una base matemática unificada que describa el comportamiento de todas las fuerzas de las naturalezas, conocida como la Teoría del campo unificado.
En cosmología física, la energía oscura es una forma de materia o energía que estaría presente en todo el espacio, produciendo una presión que tiende a acelerar la expansión del Universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Considerar la existencia de la energía oscura es la manera más frecuente de explicar las observaciones recientes de que el Universo parece estar en expansión acelerada. En el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo.
Universos paralelos es el nombre de una hipótesis física, en la que entran en juego la existencia de varios universos o realidades relativamante independientes. El desarrollo de la física cuántica, y la búsqueda de una teoría unificada (teoría cuántica de la gravedad), conjuntamente con el desarrollo de la teoría de cuerdas, han hecho entrever la posibilidad de la existencia de múltiples dimensiones y universos paralelos conformando un multiverso.
Un agujero negro es una región finita del espacio en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente elevada para generar un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de ella. Sin embargo, los agujeros negros pueden ser capaces de emitir radiación, lo cual fue conjeturado por Stephen Hawking en los años 1970. La radiación emitida por agujeros negros como Cygnus X-1 no procede sin embargo del propio agujero negro sino de su disco de acreción.










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