Unió de forces còsmiques

1986/12/01 Martinez Lizarduikoa, Alfontso Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Simetrización de la zona vulnerable

Amb les simetries de Gauge al capdavant, en els anys 70 i 80, els físics Weiberg i Salam van començar a estudiar la força electromagnètica i la feble nuclear per a unir ambdues. El problema és trobar una altra simetria tan complexa com la de la simetria gauge. Aquestes àrees es podien expressar d'aquesta manera a través d'un únic camp, demostrant que tots dos són el resultat d'una força més fonamental.

Per tant, el primer passo a donar era descriure la força feble mitjançant la simetria gauge. Per a això cal tenir en compte que les fraccions de força feble són leptois (electró i neutrí). Tenint en compte això, Weiberg i Salam van crear el concepte de simetria "isotòpica del spin" en l'àmbit de la interacció feble. Mitjançant aquesta simetria es barregen les identitats dels electrons i neutrins. Per a comprendre-ho millor imaginarem un comandament de ficció.

En girar aquest comandament es pot confondre la identitat de les fraccions nuclears.

Quan l'indicador està en la part superior, la fracció (o fraccions) és 100% electró. A mesura que l'indicador gira, el caràcter de la fracció es converteix en híbrid. Part de la fracció és l'electró i la resta és neutrí.
• Quan l'indicador està a baix, l'electró s'ha convertit en neutrí.

Un mateix procés es pot realitzar amb dos indicadors.

L'indicador negre converteix els electrons en neutrins. Tots blancs, els neutrins electrons.

En aquest cas es descriuen les poblacions reals d'electrons i neutrins. Els electrons capten una dosi de neutrí i viceversa.
• Tots els electrons s'han convertit en neutrins i els neutrins en electrons. Totes les partícules han canviat d'identitat.

Si s'analitza aquest procés des del punt de vista de la simetria, es pot postular un principi important: "Les forces nuclears són independents de la posició de l'indicador". Aquesta invarianza es denomina "simetria isotòpica del spin".

Aquesta invariant és una simetria abstracta. Aquesta simetria és general. I quan reduïm aquesta simetria es creen nous camps de força per a equilibrar el canvi d'escala. Aquestes zones de força són precisament les que descriuen la força feble. Els camps de força necessaris per a expressar la força feble són tres, la qual cosa explica clarament que la simetria que hi ha sota la zona feble és molt més complexa que la que té el camp electromagnètic. Per a quantificar aquests tres camps hem d'afegir a cadascun d'ells una partícula (quant). Aquestes partícules teòriques han estat denominades W + , W - i Z.

Suspensió per simetria

En arribar a aquest punt sorgeix un nou problema. Les zones de Gauge són zones de gran influència. Això significa que les fraccions a unir amb aquestes zones han de ser de mera massa. Però les masses que la teoria afegeix a les fraccions W i Z són grans i amb aquesta agregació desapareix la simetria gauge.

Com expressar aquesta contradicció?. Aquest problema ha estat superat pel procés de ruptura "de la simetria". Per a comprendre millor aquest procés, pensem que tenim una superfície com la que apareix en la imatge, amb una bola en el seu turó.

L'estructura que tenim en la figura 1 (a) és simètrica (simetria rotacional), però no estable, ja que es troba en la força gravitatòria. No obstant això, si la bola es desvia (encara que sigui poc) respecte a la seva posició d'equilibri, comença a regalimar-se vessant a baix fins a equilibrar la seva posició. Una vegada aconseguit l'equilibri, la simetria b) s'ha convertit en estabilitat. I en aquesta estructura estable la simetria rotacional que es troba gravitada continua existint, però oculta. I l'estat real del sistema no pot explicar les simetries de les forces que controlen aquest sistema.

Es tracta, per tant, de zones de simetria gauge en la descripció de la força feble, que no poden existir en una situació estable exposant la seva pròpia simetria. Per això, mitjançant la ruptura brusca de la simetria es desfà el camp creant un estat estable i eliminant la simetria (més ben dit ocultant-lo), afegint massa a les fraccions corresponents a les zones en aquest procés. Així s'explica la gran massa de les fraccions W i Z.

Descobriment de la força feble

Si la simetria de la zona feble (mitjançant la simetria isotòpica del spin) vol unir aquest camp amb el camp electromagnètic, per a totes dues forces cal crear una sola teoria: la teoria de la força electrodébil. Per a aconseguir-ho cal inventar una altra simetria nocturna més profunda i complexa amb l'après fins ara: Aquesta simetria ha d'abastar simetries de camps electromagnètics i febles.

Des d'aquest punt de vista, necessitarem quatre camps per a descriure la força electro-feble; un electromagnètic i altres tres units per la força feble.

La teoria d'aquesta nova força unificada ha estat confirmada en dos passos. En 1971 tots els diagrames d'interacció que es donen dins d'aquesta teoria van ser analitzats mitjançant ordinadors. I es va afirmar amb molta satisfacció que tots els infinits d'aquesta teoria desapareixien. La teoria, per tant, igual que l'electrodinàmica quàntum, era renormalizada i es deu al fet que l'estructura de la nova teoria és molt simètrica.

La segona conformació va tenir lloc en 1983. Durant aquest any es van observar experimentalment les partícules W i Z en l'accelerador de fraccions de Ginebra (2). A partir d'aquest moment històric de la ciència, les quatre forces bàsiques presents en la Naturalesa es van convertir en tres.

Naixement de la cromodinámica Quàntum

Unint l'electromangenismo i la feble força nuclear, els científics han confiat en la simetria nocturna i van començar immediatament a realitzar els primers assajos per a unir la força electromangenista amb la força violenta.

El primer pas que cal donar per a això és afegir per força fort una estructura de simetria gauge. És a dir, simetrizar el camp de la força nuclear violenta.

Per a dur a terme aquest treball hem de tenir en compte els hadrons. Els hadrons són fraccions que interactuen en el camp violent. Aquests hadrons estan formats per unitats simples anomenades quark.

Com definir aquests quark?. Cada quark té incorporat un ens equivalent a la càrrega elèctrica. Aquesta càrrega equivalent és l'origen del camp. Aquesta càrrega es denomina “color”. El camp electromagnètic es genera a través d'una càrrega, però per a expressar la interacció entre els quarks (anomenat gluón) necessitem tres tipus de càrregues (tres colors) diferents. Segons això cada quark pot aparèixer en tres colors, vermell, verd i blau.

Quina serà la simetria gauge afegida a cada zona?. Això és: Invarianza de tot el sistema malgrat el canvi de color de cada punt de l'espai.

Dit d'una altra manera. Suposem un comandament amb tres indicadors (vermell, verd i blau).

El seu significat general és la simetria gauge afegida als colors dels quarks.

Per tant, la força entre quarks (gluón) no sempre ha canviat, encara que girin indicadors que barregen els colors.

En aparèixer tres colors, la simetria de la zona violenta serà més complexa, per la qual cosa necessitarem més zones de força per a mantenir la simetria reduïda. En concret, seran necessàries 8 noves zones de força a les quals s'afegeixen 8 partícules (8 gluones). Recordeu que el nombre de partícules que s'afegien al camp electromagnètic era un (fotó) i tres (fraccionis W + , W i Z) per força feble.

Un protó (un hadró) està format per tres quark. Entre aquests quark s'estan intercanviant contínuament gluones i, per tant, canviant els colors d'aquests. Però la llei de simetria gauge diu que encara que sempre són intercanvis, la suma dels colors que tenim al final (verd + blau + vermell) ha de ser.

Sobre aquesta simetria de Gauge s'ha construït una important branca de la física: Cromodinámica Quàntum (QKD) (3).

Des del punt de vista de la cromodinámica Quàntum, l'acció de la Naturalesa per a mantenir una simetria abstracta és brutal. És a dir, encara que canvien els colors dels quarks, el color dels hadrons es manté en blanc (verd + blau + vermell).

Amb la fixació de QKD, les forces electromagnètiques, tant febles com violentes, tenen una descripció en funció de la zona gauge. És més, dos d'aquests tres camps (electromagnètic i feble) estan units. És possible trobar una simetria prou complexa per a convertir aquests tres camps en un?

A la recerca de la gran unitat: Teories BHT (4)

El problema de trobar una teoria BHT és matemàtic. I la resolució d'aquest problema no és única, sinó múltiple. Per aquest motiu apareguin les diferents teories BHT en competència. No obstant això, en totes aquestes teories existeixen simetries que barregen la força de moltes partícules. Per a unir la força electro-feble i violenta necessitem 22 camps de força, dels quals 12 són coneguts, amb les seves partícules afegides (fotó, W + , W - , Z, 8 gluones). Denominem "Fracció X" a les partícules de les 10 noves forces que cal trobar.

Es dóna una conclusió molt important en les teories BHT. Segons aquestes teories, el protó ha de desintegrar-se passat el temps. En totes les teories físiques el protó ha estat considerat com una fracció estable i duradora. Les teories BHT prediuen la mort del protó i amb això es postula la desaparició de tota la matèria present en el cosmos, ja que l'estructura de la matèria estaria construïda sobre una fracció inestable. Si aquest tipus de predicció fos experimentalment demostrable, tindria una gran importància per a comprovar les teories BHT. No obstant això, els problemes tecnològics que genera aquest tipus de verificacions són enormes. Analitzem la situació.

Mort del protó

Basat en el principi de la insignificància d'Heisenberg, és possible relacionar l'energia (o massa equivalent) amb la distància. Des d'aquest punt de vista, per a estudiar distàncies petites necessitem energies molt grans. La distància de les fraccions X és de 10 a 29 cm, distància d'interacció d'aquestes partícules. Quanta energia es necessita per a sondejar distàncies tan petites?.

L'univers de BHT és un milió de vegades menor que el de QUARKS. Per al sondeig Quark hem hagut d'utilitzar un accelerador de fracció de 3 km (accelerador lineal de Standford). Segons això, per a sondejar el món BHT necessitaríem un accelerador de la grandària del nostre sistema solar. Aquesta limitació no tindrà importància per al filòsof, però sí per al científic immers en la física experimental.

Per tant, l'estudi de la desintegració del protó no és possible avui dia en el laboratori i mai és necessari. No obstant això, la Naturalesa pot ser considerada com un gran laboratori, en el qual s'analitzen els fenòmens que es produeixen en aquest laboratori còsmic. Així, si la teoria més simple de BHT dóna al protó una mitjana viva de 10 31 anys, això significa que si tenim 10 31 protons es desintegrarà un protó en un any.

Així les coses, si col·loquéssim una massa molt gran de material en un lloc especial (sota l'ombra de raigs còsmics i neutrins que poden ser efectius en l'experiment), seria possible detectar la desintegració de certs protons. Aquests experiments s'estan duent a terme en profundes galeries i coves per a frenar la influència dels raigs còsmics i, com sabem, fins al moment no s'han obtingut grans resultats (5).

De totes maneres, si no obtinguéssim resultats concrets, això només significaria que les BHT més simples queden excloses. Perquè en altres teories la vida del protó és molt més llarga.

Aquests experiments que es poden realitzar actualment i els monopols magnètics es troben en els límits de la física experimental. I sembla que per aquest camí no es veu una solució clara. Per això, amb l'objectiu de superar els límits de la física experimental, la física teòrica ha sorgit amb força i fermesa. I d'aquest nou camí s'espera el desenvolupament actual de la física.

OBSERVACIONS

En anglès: Quàntum Elctrodynamics (QED) Español: Elctrodinámica Quantificació (EDC) En basca: Quàntum Elektrodinamika (QED) Considero que aquesta opció de lletra per al basc és la més adequada, ja que d'aquesta manera l'anglès (llengua internacional a nivell científic) i el basc conflueixen. Per tant, prendrem la paraula quàntum com a nom. En qualsevol cas, també seria apropiat utilitzar lletres angleses. C.E.R.N. Un grup dirigit per Carlo Rubbia (Centri Européen Recherches Nucléaires) va veure en 1983 els bosons W + i W - i la partícula Z. Per a això van haver d'idear un assaig especial i construir un talkador fraccionari protó/antiprotón. Per tot això, Carlo Rubbia i Simon Van der Meer van rebre el Premi Nobel de Física de 1984. En anglès: Quàntum Chrodynamics (QCD) Español: Núm. Cromodinámica (CDC) En basc: Quàntum Cromodinámica (QKD) En anglès: Grand Unified Theories (GUT) Español: Grans Teorias Unificades (GTU) Basc: Teories de la Unió Major (TMH) S'ha estès entre els científics la notícia de la desintegració d'un protó en els últims mesos. Aquest tipus d'observació haurà d'associar-se a altres per a poder confirmar amb certesa que el protó es desintegra.