Unión de forzas cósmicas

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

• Fisika

Simetrización da zona vulnerable

Coas simetrías de Gauge á cabeza, nos anos 70 e 80, os físicos Weiberg e Salam comezaron a estudar a forza electromagnética e a débil nuclear paira unir ambas. O problema é atopar outra simetría tan complexa como a da simetría gauge. Estas áreas podíanse expresar desta maneira a través dun único campo, demostrando que ambos son o resultado dunha forza máis fundamental.

Por tanto, o primeiro paso a dar era describir a forza débil mediante a simetría gauge. Paira iso hai que ter en conta que as fraccións de forza débil son leptois (electrón e neutrino). Tendo en conta isto, Weiberg e Salam crearon o concepto de "simetría isotópica do spin" no ámbito da interacción débil. Mediante esta simetría mestúranse as identidades dos electróns e neutrinos. Paira comprendelo mellor imaxinaremos un mando de ficción.

Ao virar este mando pódese confundir a identidade das fraccións nucleares.

Cando o indicador está na parte superior, a fracción (ou fraccións) é 100% electrón. A medida que o indicador vira, o carácter da fracción convértese en híbrido. Parte da fracción é o electrón e o resto é neutrino.
• Cando o indicador está abaixo, o electrón converteuse en neutrino.

Un mesmo proceso pódese realizar con dous indicadores.

O indicador negro converte os electróns en neutrinos. Todos brancos, os neutrinos electróns.

Neste caso descríbense as poboacións reais de electróns e neutrinos. Os electróns captan una doses de neutrino e viceversa.
• Todos os electróns convertéronse en neutrinos e os neutrinos en electróns. Todas as partículas cambiaron de identidade.

Si analízase este proceso desde o punto de vista da simetría, pódese postular un principio importante: "As forzas nucleares son independentes da posición do indicador". Esta invarianza denomínase "simetría isotópica do spin".

Esta invariante é una simetría abstracta. Esta simetría é xeral. E cando reducimos esta simetría créanse novos campos de forza paira equilibrar o cambio de escala. Estas zonas de forza son precisamente as que describen a forza débil. Os campos de forza necesarios paira expresar a forza débil son tres, o que explica claramente que a simetría que hai debaixo da zona débil é moito máis complexa que a que ten o campo electromagnético. Paira cuantificar este tres campos debemos engadir a cada un deles una partícula (canto). Estas partículas teóricas foron denominadas W + , W - e Z.

Suspensión por simetría

Ao chegar a este punto xorde un novo problema. As zonas de Gauge son zonas de gran influencia. Isto significa que as fraccións a unir con estas zonas deben ser de mera masa. Pero as masas que a teoría engade ás fraccións W e Z son grandes e con esa agregación desaparece a simetría gauge.

Como expresar esta contradición?. Este problema foi superado polo proceso de "ruptura da simetría". Paira comprender mellor este proceso, pensemos que temos una superficie como a que aparece na imaxe, cunha bóla no seu cerro.

A estrutura que temos na figura 1 (a) é simétrica (simetría rotacional), pero non estable, xa que se atopa na forza gravitatoria. Con todo, si a bóla desvíase (aínda que sexa pouco) respecto da súa posición de equilibrio, comeza a chorrearse ladeira abaixo até equilibrar a súa posición. Una vez alcanzado o equilibrio, a simetría b) converteuse en estabilidade. E nesa estrutura estable a simetría rotacional que se atopa gravitada segue existindo, pero oculta. E o estado real do sistema non pode explicar as simetrías das forzas que controlan este sistema.

Trátase, por tanto, de zonas de simetría gauge na descrición da forza débil, que non poden existir nunha situación estable expondo a súa propia simetría. Por iso, mediante a ruptura brusca da simetría desfaise o campo creando un estado estable e eliminando a simetría (mellor devandito ocultándoo), engadindo masa ás fraccións correspondentes ás zonas nese proceso. Así se explica a gran masa das fraccións W e Z.

Descubrimento da forza débil

Si a simetría da zona débil (mediante a simetría isotópica do spin) quere unir este campo co campo electromagnético, paira ambas as forzas hai que crear una soa teoría: a teoría da forza electrodébil. Paira conseguilo hai que inventar outra simetría nocturna máis profunda e complexa co apreso até agora: Esta simetría debe abarcar simetrías de campos electromagnéticos e débiles.

Desde este punto de vista, necesitaremos catro campos paira describir a forza electro-débil; un electromagnético e outro tres unidos pola forza débil.

A teoría desta nova forza unificada foi confirmada en dous pasos. En 1971 todos os diagramas de interacción que se dan dentro desta teoría foron analizados mediante computadores. E afirmouse con moita satisfacción que todos os infinitos desta teoría desaparecían. A teoría, por tanto, do mesmo xeito que a electrodinámica quantum, era renormalizada e débese a que a estrutura da nova teoría é moi simétrica.

A segunda conformación tivo lugar en 1983. Durante este ano observáronse experimentalmente as partículas W e Z no acelerador de fraccións de Xenebra (2). A partir deste momento histórico da ciencia, o catro forzas básicas presentes na Natureza convertéronse en tres.

Nacemento da cromodinámica Quantum

Unindo o electromangenismo e a débil forza nuclear, os científicos confiaron na simetría nocturna e comezaron inmediatamente a realizar os primeiros ensaios paira unir a forza electromangenista coa forza violenta.

O primeiro paso que hai que dar paira iso é engadir á forza forte una estrutura de simetría gauge. É dicir, simetrizar o campo da forza nuclear violenta.

Paira levar a cabo este traballo temos que ter en conta os hadrones. Os hadrones son fraccións que interactúan no campo violento. Estes hadrones están formados por unidades simples chamadas quark.

Como definir estes quark?. Cada quark ten incorporado un ente equivalente á carga eléctrica. Esta carga equivalente é a orixe do campo. Esta carga denomínase “cor”. O campo electromagnético xérase a través de una carga, pero paira expresar a interacción entre os quarks (chamado gluón) necesitamos tres tipos de cargas (tres cores) diferentes. Segundo isto cada quark pode aparecer en tres cores, vermello, verde e azul.

Cal será a simetría gauge engadida a cada zona?. Isto é: Invarianza de todo o sistema a pesar do cambio de cor de cada punto do espazo.

Dito doutra maneira. Supoñamos un mando con tres indicadores (vermello, verde e azul).

O seu significado xeral é a simetría gauge engadida ás cores dos quarks.

Por tanto, a forza entre quarks (gluón) non sempre cambiou, aínda que viren indicadores que mesturan as cores.

Ao aparecer tres cores, a simetría da zona violenta será máis complexa, polo que necesitaremos máis zonas de forza paira manter a simetría reducida. En concreto, serán necesarias 8 novas zonas de forza ás que se engaden 8 partículas (8 gluones). Lembrade que o número de partículas que se engadían ao campo electromagnético era un (fotón) e tres (fraccións W + , W e Z) á forza débil.

Un protón (un hadrón) está formado por tres quark. Entre estes quark están a intercambiarse continuamente gluones e, por tanto, cambiando as cores dos mesmos. Pero a lei de simetría gauge di que aínda que sempre son intercambios, a suma das cores que temos ao final (verde + azul + vermello) debe ser.

Sobre esta simetría de Gauge construíuse una importante rama da física: Cromodinámica Quantum (QKD) (3).

Desde o punto de vista da cromodinámica Quantum, a acción da Natureza paira manter una simetría abstracta é brutal. É dicir, aínda que cambian as cores dos quarks, a cor dos hadrones mantense en branco (verde + azul + vermello).

Coa fixación de QKD, as forzas electromagnéticas, tanto débiles como violentas, teñen una descrición en función da zona gauge. É máis, dous destes tres campos (electromagnético e débil) están unidos. É posible atopar una simetría suficientemente complexa paira converter estes tres campos nun?

En busca da gran unidade: Teorías BHT (4)

O problema de atopar una teoría BHT é matemático. E a resolución deste problema non é única, senón múltiple. Por iso é polo que aparezan as diferentes teorías BHT en competencia. Con todo, en todas estas teorías existen simetrías que mesturan a forza de moitas partículas. Paira unir a forza electro-débil e violenta necesitamos 22 campos de forza, dos cales 12 son coñecidos, coas súas partículas engadidas (fotón, W + , W - , Z, 8 gluones). Denominamos "Fracción X" ás partículas das 10 novas forzas que hai que atopar.

Dáse una conclusión moi importante nas teorías BHT. Segundo estas teorías, o protón debe desintegrarse pasado o tempo. En todas as teorías físicas o protón foi considerado como una fracción estable e duradeira. As teorías BHT predín a morte do protón e con iso postúlase a desaparición de toda a materia presente no cosmos, xa que a estrutura da materia estaría construída sobre unha fracción inestable. Se este tipo de predición fóra experimentalmente demostrable, tería una gran importancia paira comprobar as teorías BHT. Con todo, os problemas tecnolóxicos que xera este tipo de verificacións son enormes. Analicemos a situación.

Morte do protón

Baseado no principio da insignificancia de Heisenberg, é posible relacionar a enerxía (ou masa equivalente) coa distancia. Desde este punto de vista, paira estudar distancias pequenas necesitamos enerxías moi grandes. A distancia das fraccións X é de 10 a 29 cm, distancia de interacción de devanditas partículas. Canta enerxía necesítase paira sondar distancias tan pequenas?.

O universo de BHT é un millón de veces menor que o de QUARKS. Paira a sondaxe Quark tivemos que utilizar un acelerador de fracción de 3 km (acelerador lineal de Standford). Segundo isto, paira sondar o mundo BHT necesitariamos un acelerador do tamaño do noso sistema solar. Esta limitación non terá importancia paira o filósofo, pero si paira o científico inmerso na física experimental.

Por tanto, o estudo da desintegración do protón non é posible hoxe en día no laboratorio e nunca é necesario. Con todo, a Natureza pode ser considerada como un gran laboratorio, no que se analizan os fenómenos que se producen neste laboratorio cósmico. Así, se a teoría máis simple de BHT dá ao protón una media viva de 10 31 anos, isto significa que si temos 10 31 protones se desintegrará un protón nun ano.

Así as cousas, se colocásemos una masa moi grande de material nun lugar especial (baixo a sombra de raios cósmicos e neutrinos que poden ser efectivos no experimento), sería posible detectar a desintegración de certos protones. Estes experimentos están a levarse a cabo en profundas galerías e covas paira frear a influencia dos raios cósmicos e, como sabemos, até o momento non se obtiveron grandes resultados (5).

De todos os xeitos, se non obtivésemos resultados concretos, isto só significaría que as BHT máis simples quedan excluídas. Porque noutras teorías a vida do protón é moito máis longa.

Estes experimentos que se poden realizar actualmente e os monopolos magnéticos atópanse nos límites da física experimental. E parece que por ese camiño non se ve una solución clara. Por iso, co obxectivo de superar os límites da física experimental, a física teórica ha xurdido con forza e firmeza. E deste novo camiño espérase o desenvolvemento actual da física.

OBSERVACIÓNS

En inglés: Quantum Elctrodynamics (QED) Español: Elctrodinámica Cuantificación (EDC) En eúscaro: Quantum Elektrodinamika (QED) Considero que esta opción de letra paira o eúscaro é a máis adecuada, xa que desta maneira o inglés (lingua internacional a nivel científico) e o eúscaro conflúen. Por tanto, tomaremos a palabra quantum como nome. En calquera caso, tamén sería apropiado utilizar letras inglesas. C.E.R.N. Un grupo dirixido por Carlo Rubbia (Centre Européen Recherches Nucléaires) viu en 1983 os bosones W + e W - e a partícula Z. Paira iso tiveron que idear un ensaio especial e construír un talkador fraccionario protón/antiprotón. Por todo iso, Carlo Rubbia e Simon Van der Meer recibiron o Premio Nobel de Física de 1984. En inglés: Quantum Chrodynamics (QCD) Español: Nº Cromodinámica (CDC) En eúscaro: Quantum Cromodinámica (QKD) En inglés: Grand Unified Theories (GUT) Español: Grandes Teorias Unificadas (GTU) Eúscaro: Teorías da Unión Maior (TMH) Estendeuse entre os científicos a noticia da desintegración dun protón nos últimos meses. Este tipo de observación deberá asociarse a outras paira poder confirmar con certeza que o protón se desintegra.