Ejercicio resuelto de Física moderna · Física · 2025

Responde a las siguientes preguntas:

a) ¿Cuáles son las 4 fuerzas fundamentales de la Naturaleza? [1,25 puntos]

b) Razona si el Modelo Estándar de la Física de Partículas engloba dichas interacciones. [1,25 puntos]

$\textbf{a) ¿Cuáles son las 4 fuerzas fundamentales de la Naturaleza? [1,25 puntos]}$

Toda interacción conocida entre partículas se reduce a cuatro interacciones fundamentales, que se distinguen por su intensidad relativa, por su alcance y por la partícula que las transmite.

Interacción	Alcance	Intensidad relativa	Partícula mediadora Gravitatoria	Infinito	$10^{-38}$	Gravitón (no detectado) Electromagnética	Infinito	$10^{-2}$	Fotón Nuclear fuerte	$10^{-15}$ m	1	Gluones Nuclear débil	$10^{-18}$ m	$10^{-6}$	Bosones $W^{\pm}$ y $Z^{0}$

La interacción gravitatoria actúa entre masas, es siempre atractiva y, pese a ser con muchísima diferencia la más débil, domina a escala astronómica porque su alcance es infinito y no se cancela.

La interacción electromagnética actúa entre cargas eléctricas, es atractiva o repulsiva y explica la estructura de átomos y moléculas y todos los fenómenos químicos.

La interacción nuclear fuerte mantiene unidos a los quarks dentro de los nucleones y, como residuo, a los protones y neutrones dentro del núcleo, venciendo la repulsión eléctrica entre protones. Su alcance no llega al tamaño de un núcleo.

La interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta y del cambio de sabor de los quarks. Es la de menor alcance de las cuatro.

$\textbf{b) Razona si el Modelo Estándar de la Física de Partículas engloba dichas interacciones. [1,25 puntos]}$

No las engloba todas: el Modelo Estándar describe tres de las cuatro.

El Modelo Estándar clasifica las partículas elementales en fermiones —seis quarks y seis leptones, con sus antipartículas— y bosones, que son las partículas mediadoras. En él, cada interacción se explica como el intercambio de un bosón entre fermiones: el fotón transmite la electromagnética, los gluones la fuerte y los bosones $W^{\pm}$ y $Z^{0}$ la débil. El bosón de Higgs, detectado en 2012, completa el cuadro dando cuenta del origen de la masa de las partículas.

La interacción gravitatoria queda fuera. No se ha detectado el gravitón, que sería su bosón mediador, y no existe todavía una teoría cuántica de la gravedad compatible con el resto del modelo. En la práctica esto no supone un problema al describir colisiones entre partículas, porque a esas escalas la gravedad es del orden de $10^{36}$ veces más débil que las demás y resulta despreciable.

El Modelo Estándar es, por tanto, una teoría muy bien contrastada pero incompleta: unifica la electromagnética y la débil en la interacción electrodébil e incorpora la fuerte, pero deja fuera la gravitación.