Unión de fuerzas cósmicas

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

• Fisika

Simetrización de la zona vulnerable

Con las simetrías de Gauge a la cabeza, en los años 70 y 80, los físicos Weiberg y Salam comenzaron a estudiar la fuerza electromagnética y la débil nuclear para unir ambas. El problema es encontrar otra simetría tan compleja como la de la simetría gauge. Estas áreas se podían expresar de esta manera a través de un único campo, demostrando que ambos son el resultado de una fuerza más fundamental.

Por tanto, el primer paso a dar era describir la fuerza débil mediante la simetría gauge. Para ello hay que tener en cuenta que las fracciones de fuerza débil son leptois (electrón y neutrino). Teniendo en cuenta esto, Weiberg y Salam crearon el concepto de "simetría isotópica del spin" en el ámbito de la interacción débil. Mediante esta simetría se mezclan las identidades de los electrones y neutrinos. Para comprenderlo mejor imaginaremos un mando de ficción.

Al girar este mando se puede confundir la identidad de las fracciones nucleares.

Cuando el indicador está en la parte superior, la fracción (o fracciones) es 100% electrón. A medida que el indicador gira, el carácter de la fracción se convierte en híbrido. Parte de la fracción es el electrón y el resto es neutrino.
• Cuando el indicador está abajo, el electrón se ha convertido en neutrino.

Un mismo proceso se puede realizar con dos indicadores.

El indicador negro convierte los electrones en neutrinos. Todos blancos, los neutrinos electrones.

En este caso se describen las poblaciones reales de electrones y neutrinos. Los electrones captan una dosis de neutrino y viceversa.
• Todos los electrones se han convertido en neutrinos y los neutrinos en electrones. Todas las partículas han cambiado de identidad.

Si se analiza este proceso desde el punto de vista de la simetría, se puede postular un principio importante: "Las fuerzas nucleares son independientes de la posición del indicador". Esta invarianza se denomina "simetría isotópica del spin".

Esta invariante es una simetría abstracta. Esta simetría es general. Y cuando reducimos esta simetría se crean nuevos campos de fuerza para equilibrar el cambio de escala. Estas zonas de fuerza son precisamente las que describen la fuerza débil. Los campos de fuerza necesarios para expresar la fuerza débil son tres, lo que explica claramente que la simetría que hay debajo de la zona débil es mucho más compleja que la que tiene el campo electromagnético. Para cuantificar estos tres campos debemos añadir a cada uno de ellos una partícula (cuanto). Estas partículas teóricas han sido denominadas W + , W - y Z.

Suspensión por simetría

Al llegar a este punto surge un nuevo problema. Las zonas de Gauge son zonas de gran influencia. Esto significa que las fracciones a unir con estas zonas deben ser de mera masa. Pero las masas que la teoría añade a las fracciones W y Z son grandes y con esa agregación desaparece la simetría gauge.

¿Cómo expresar esta contradicción?. Este problema ha sido superado por el proceso de "ruptura de la simetría". Para comprender mejor este proceso, pensemos que tenemos una superficie como la que aparece en la imagen, con una bola en su cerro.

La estructura que tenemos en la figura 1 (a) es simétrica (simetría rotacional), pero no estable, ya que se encuentra en la fuerza gravitatoria. Sin embargo, si la bola se desvía (aunque sea poco) respecto a su posición de equilibrio, comienza a chorrearse ladera abajo hasta equilibrar su posición. Una vez alcanzado el equilibrio, la simetría b) se ha convertido en estabilidad. Y en esa estructura estable la simetría rotacional que se encuentra gravitada sigue existiendo, pero oculta. Y el estado real del sistema no puede explicar las simetrías de las fuerzas que controlan este sistema.

Se trata, por tanto, de zonas de simetría gauge en la descripción de la fuerza débil, que no pueden existir en una situación estable exponiendo su propia simetría. Por ello, mediante la ruptura brusca de la simetría se deshace el campo creando un estado estable y eliminando la simetría (mejor dicho ocultándolo), añadiendo masa a las fracciones correspondientes a las zonas en ese proceso. Así se explica la gran masa de las fracciones W y Z.

Descubrimiento de la fuerza débil

Si la simetría de la zona débil (mediante la simetría isotópica del spin) quiere unir este campo con el campo electromagnético, para ambas fuerzas hay que crear una sola teoría: la teoría de la fuerza electrodébil. Para conseguirlo hay que inventar otra simetría nocturna más profunda y compleja con lo aprendido hasta ahora: Esta simetría debe abarcar simetrías de campos electromagnéticos y débiles.

Desde este punto de vista, necesitaremos cuatro campos para describir la fuerza electro-débil; uno electromagnético y otros tres unidos por la fuerza débil.

La teoría de esta nueva fuerza unificada ha sido confirmada en dos pasos. En 1971 todos los diagramas de interacción que se dan dentro de esta teoría fueron analizados mediante ordenadores. Y se afirmó con mucha satisfacción que todos los infinitos de esta teoría desaparecían. La teoría, por lo tanto, al igual que la electrodinámica quantum, era renormalizada y se debe a que la estructura de la nueva teoría es muy simétrica.

La segunda conformación tuvo lugar en 1983. Durante este año se observaron experimentalmente las partículas W y Z en el acelerador de fracciones de Ginebra (2). A partir de este momento histórico de la ciencia, las cuatro fuerzas básicas presentes en la Naturaleza se convirtieron en tres.

Nacimiento de la cromodinámica Quantum

Uniendo el electromangenismo y la débil fuerza nuclear, los científicos han confiado en la simetría nocturna y comenzaron inmediatamente a realizar los primeros ensayos para unir la fuerza electromangenista con la fuerza violenta.

El primer paso que hay que dar para ello es añadir a la fuerza fuerte una estructura de simetría gauge. Es decir, simetrizar el campo de la fuerza nuclear violenta.

Para llevar a cabo este trabajo tenemos que tener en cuenta los hadrones. Los hadrones son fracciones que interactúan en el campo violento. Estos hadrones están formados por unidades simples llamadas quark.

¿Cómo definir estos quark?. Cada quark tiene incorporado un ente equivalente a la carga eléctrica. Esta carga equivalente es el origen del campo. Esta carga se denomina “color”. El campo electromagnético se genera a través de una carga, pero para expresar la interacción entre los quarks (llamado gluón) necesitamos tres tipos de cargas (tres colores) diferentes. Según esto cada quark puede aparecer en tres colores, rojo, verde y azul.

¿Cuál será la simetría gauge añadida a cada zona?. Esto es: Invarianza de todo el sistema a pesar del cambio de color de cada punto del espacio.

Dicho de otra manera. Supongamos un mando con tres indicadores (rojo, verde y azul).

Su significado general es la simetría gauge añadida a los colores de los quarks.

Por lo tanto, la fuerza entre quarks (gluón) no siempre ha cambiado, aunque giren indicadores que mezclan los colores.

Al aparecer tres colores, la simetría de la zona violenta será más compleja, por lo que necesitaremos más zonas de fuerza para mantener la simetría reducida. En concreto, serán necesarias 8 nuevas zonas de fuerza a las que se añaden 8 partículas (8 gluones). Recordad que el número de partículas que se añadían al campo electromagnético era uno (fotón) y tres (fracciones W + , W y Z) a la fuerza débil.

Un protón (un hadrón) está formado por tres quark. Entre estos quark se están intercambiando continuamente gluones y, por tanto, cambiando los colores de los mismos. Pero la ley de simetría gauge dice que aunque siempre son intercambios, la suma de los colores que tenemos al final (verde + azul + rojo) debe ser.

Sobre esta simetría de Gauge se ha construido una importante rama de la física: Cromodinámica Quantum (QKD) (3).

Desde el punto de vista de la cromodinámica Quantum, la acción de la Naturaleza para mantener una simetría abstracta es brutal. Es decir, aunque cambian los colores de los quarks, el color de los hadrones se mantiene en blanco (verde + azul + rojo).

Con la fijación de QKD, las fuerzas electromagnéticas, tanto débiles como violentas, tienen una descripción en función de la zona gauge. Es más, dos de estos tres campos (electromagnético y débil) están unidos. ¿Es posible encontrar una simetría suficientemente compleja para convertir estos tres campos en uno?

En busca de la gran unidad: Teorías BHT (4)

El problema de encontrar una teoría BHT es matemático. Y la resolución de este problema no es única, sino múltiple. De ahí que aparezcan las diferentes teorías BHT en competencia. Sin embargo, en todas estas teorías existen simetrías que mezclan la fuerza de muchas partículas. Para unir la fuerza electro-débil y violenta necesitamos 22 campos de fuerza, de los cuales 12 son conocidos, con sus partículas añadidas (fotón, W + , W - , Z, 8 gluones). Denominamos "Fracción X" a las partículas de las 10 nuevas fuerzas que hay que encontrar.

Se da una conclusión muy importante en las teorías BHT. Según estas teorías, el protón debe desintegrarse pasado el tiempo. En todas las teorías físicas el protón ha sido considerado como una fracción estable y duradera. Las teorías BHT predicen la muerte del protón y con ello se postula la desaparición de toda la materia presente en el cosmos, ya que la estructura de la materia estaría construida sobre una fracción inestable. Si este tipo de predicción fuera experimentalmente demostrable, tendría una gran importancia para comprobar las teorías BHT. Sin embargo, los problemas tecnológicos que genera este tipo de verificaciones son enormes. Analicemos la situación.

Muerte del protón

Basado en el principio de la insignificancia de Heisenberg, es posible relacionar la energía (o masa equivalente) con la distancia. Desde este punto de vista, para estudiar distancias pequeñas necesitamos energías muy grandes. La distancia de las fracciones X es de 10 a 29 cm, distancia de interacción de dichas partículas. ¿Cuánta energía se necesita para sondear distancias tan pequeñas?.

El universo de BHT es un millón de veces menor que el de QUARKS. Para el sondeo Quark hemos tenido que utilizar un acelerador de fracción de 3 km (acelerador lineal de Standford). Según esto, para sondear el mundo BHT necesitaríamos un acelerador del tamaño de nuestro sistema solar. Esta limitación no tendrá importancia para el filósofo, pero sí para el científico inmerso en la física experimental.

Por lo tanto, el estudio de la desintegración del protón no es posible hoy en día en el laboratorio y nunca es necesario. Sin embargo, la Naturaleza puede ser considerada como un gran laboratorio, en el que se analizan los fenómenos que se producen en este laboratorio cósmico. Así, si la teoría más simple de BHT da al protón una media viva de 10 31 años, esto significa que si tenemos 10 31 protones se desintegrará un protón en un año.

Así las cosas, si colocáramos una masa muy grande de material en un lugar especial (bajo la sombra de rayos cósmicos y neutrinos que pueden ser efectivos en el experimento), sería posible detectar la desintegración de ciertos protones. Estos experimentos se están llevando a cabo en profundas galerías y cuevas para frenar la influencia de los rayos cósmicos y, como sabemos, hasta el momento no se han obtenido grandes resultados (5).

De todas formas, si no obtuviéramos resultados concretos, esto sólo significaría que las BHT más simples quedan excluidas. Porque en otras teorías la vida del protón es mucho más larga.

Estos experimentos que se pueden realizar actualmente y los monopolos magnéticos se encuentran en los límites de la física experimental. Y parece que por ese camino no se ve una solución clara. Por eso, con el objetivo de superar los límites de la física experimental, la física teórica ha surgido con fuerza y firmeza. Y de este nuevo camino se espera el desarrollo actual de la física.

OBSERVACIONES

En inglés: Quantum Elctrodynamics (QED) Español: Elctrodinámica Cuantificación (EDC) En euskera: Quantum Elektrodinamika (QED) Considero que esta opción de letra para el euskera es la más adecuada, ya que de esta manera el inglés (lengua internacional a nivel científico) y el euskera confluyen. Por lo tanto, tomaremos la palabra quantum como nombre. En cualquier caso, también sería apropiado utilizar letras inglesas. C.E.R.N. Un grupo dirigido por Carlo Rubbia (Centre Européen Recherches Nucléaires) vio en 1983 los bosones W + y W - y la partícula Z. Para ello tuvieron que idear un ensayo especial y construir un talkador fraccionario protón/antiprotón. Por todo ello, Carlo Rubbia y Simon Van der Meer recibieron el Premio Nobel de Física de 1984. En inglés: Quantum Chrodynamics (QCD) Español: Nº Cromodinámica (CDC) En euskera: Quantum Cromodinámica (QKD) En inglés: Grand Unified Theories (GUT) Español: Grandes Teorias Unificadas (GTU) Euskera: Teorías de la Unión Mayor (TMH) Se ha extendido entre los científicos la noticia de la desintegración de un protón en los últimos meses. Este tipo de observación deberá asociarse a otras para poder confirmar con certeza que el protón se desintegra.