Ruptura de la simetría electrodébil:
descifrar el enigma de cómo se rompe la simetría,
puede determinar la dirección futura de la Física
de las Partículas.
EDWARD WITTEN. NATURE. 2004
Resumen.
Se considera el carácter fundamental
del problema del mecanismo de ruptura de simetría y su
concordancia con el modelo estándar, para el futuro
desarrollo de la Física de las
Partículas.
Descriptores: modelo estándar,
simetría, ruptura de simetría,
supersimetría, interacciones electrodébiles,
principio antrópico.
When Symmetry Breaks
Down
Abstract. It is considered the fundamental
character of the problem of the mechanism of symmetry rupture and
its agreement with the standard model, for the future development
of the Physics of Particles.
Keywords: standard model, symmetry,
symmetry breaking, supersymmetry, electroweak interactions,
anthropic principle.
Desarrollo
La humanidad prehistórica no necesitó
ningún equipo protésico para detectar los efectos
de lo que ahora se llama interacciones electromágneticas.
La luz es bastante obvia en la vida diaria y otros efectos
electromágneticos, tales como electricidad
estática, relámpagos y las características
magnéticas de algunas rocas, tales como magnetita, eran
bien conocidos en la antigüedad. Pero se necesita bastante
tecnología moderna para descubrir, incluso, la existencia
de las interacciones débiles—intentemos
entender esto.
Primero se tuvo indicios de interacciones
débiles con el descubrimiento de la radiactividad en 1896.
Algunos núcleos radiactivos decaen emitiendo
'partículas ß', que ahora se conocen como electrones
o positrones de alta energía, acelerados, de alta
velocidad. Tal decaimiento nuclear ß, es la más
accesible ventana hacia las interacciones débiles y era la
única disponible hasta mediados del siglo XX, cuando los
detectores de rayos cósmicos, los reactores nucleares y
los aceleradores de partículas entraron en
escena.
La electricidad, el magnetismo y la luz una vez,
parecían ser tres asuntos mutuamente diferentes. Su
interpretación unificada, lograda en el siglo IX, condujo
a los científicos a describirlos colectivamente como
fenómenos 'electromágneticos'.
El electromagnetismo parece mucho más obvio que
las interacciones débiles; pero en la
interpretación moderna, basada en lo que se llama el
'modelo estándar' de la física de las
partículas, los dos guardan un gran paralelismo. Por
ejemplo, el electromagnetismo se describe por las ecuaciones
MAXWELL y las interacciones débiles son descritas por un
sistema de ecuaciones muy similar, aunque no lineal, (llamadas
ecuaciones YANG-MILLS). Para dar otro ejemplo, una
partícula elemental, llamada fotón, es la unidad
básica cuántica del electromagnetismo y
partículas similares, llamadas bosones W y Z, son las
unidades básicas cuánticas de las interacciones
débiles. Debido a esta estrecha relación entre las
interacciones electromágneticas y las débiles,
actualmente, los físicos de las partículas, se
refieren a ellas, colectivamente, como las interacciones
'electrodébiles'.
¿Si las interacciones débiles son tan
similares al electromagnetismo, por qué aparecen tan
diferentes en la experiencia ordinaria? Según el modelo
estándar, la clave es 'ruptura de simetría'.
Incluso si las leyes de la naturaleza tienen una
simetría —en este caso, la
simetría entre electromagnetismo e interacciones
débiles o entre el fotón y los bosones W y Z—
las soluciones de las ecuaciones correspondientes pueden carecer
de esa simetría.
Por ejemplo, en un líquido, un átomo
podría moverse con la misma probabilidad en cualquier
dirección del espacio —no existen ejes coordenados
preferidos. Pero si se enfría el líquido hasta que
se congele, se formará un cristal, que tiene ejes
distinguidos. Todas las direcciones en el espacio son igualmente
probables como ejes cristalinos; pero, cuando el líquido
se congela, siempre aparecerán algunos ejes distinguidos.
La simetría entre las diversas direcciones en el espacio,
se ha perdido o 'se ha roto espontáneamente'.
Análogamente, según el modelo
estándar, inmediatamente después de la
'gran explosión' había una perfecta
simetría entre el fotón y los bosones W y Z. A las
altas temperaturas que había entonces, el
electromagnetismo y las interacciones débiles eran
igualmente obvios. Pero a medida que el universo se enfriaba,
sobrevino una fase de transición, algo análoga a la
que sucede al congelar un líquido, en la cual la
simetría 'se rompió espontáneamente'. Los
bosones W y Z ganaron masa, limitando las interacciones
débiles a distancias nucleares y poniendo sus efectos
fuera del alcance del ojo desasistido. El fotón
permaneció sin masa, como resultado de lo cual, los
efectos electromágneticos pueden propagarse a distancias
sobre la escala humana (y más allá) y son obvios en
la vida diaria.
La mayoría de los aspectos del modelo
estándar han sido ensayados y probados experimentalmente,
con profusión. Por ejemplo, el momento magnético
del electrón ha sido medido por debajo de la decima
segunda cifra significativa, con resultados que están en
armonioso acuerdo con la teoría. Muchas propiedades
predichas, de los bosones W y Z, se han verificado hasta tres o
cuatro dígitos. Más recientemente, el mecanismo por
el cual el modelo estándar viola la simetría entre
materia y antimateria, se ha investigado en laboratorios en
California y Japón.
La única faceta del modelo estándar que
todavía no se ha podido ensayar experimentalmente es
quizás la más básica: ¿cómo se
rompe la simetría? Sin embargo, se tiene una idea muy
clara de donde se puede encontrar tal información.
Así como se puede utilizar masas atómicas y
energías de enlace para estimar los puntos de
fusión de cristales, se puede utilizar las masas de los
bosones W y Z y otras características observadas de las
partículas elementales para estimar la temperatura o la
energía que los aceleradores de partículas
necesitan alcanzar para explorar la ruptura de simetría
electrodébil . Según estas estimaciones, la ruptura
de simetría electrodébil se puede alcanzar en los
más poderosos aceleradores de partículas
existentes, el Tevatron de Fermilab en Chicago y el Gran
Colisionador de Hadrones (LHC, por su nombre en inglés),
el nuevo acelerador del CERN, el laboratorio europeo de
Física de las partículas cerca de
Ginebra.
¿Qué se espera encontrar? En la
versión (y el libro de texto) original del modelo
estándar, la clave para la ruptura de la simetría
electrodébil es una entidad llamada la partícula
HIGGS. A altas temperaturas, las partículas HIGGS, como
otras partículas, se mueven al azar. Pero, según
que el universo se enfría, las partículas HIGGS se
combinan en un 'condensado BOSE', un estado ordenado en el cual
muchas partículas comparten la misma función de
onda cuántica, conduciendo —en el caso del
helio— a la superfluidez.
La simetría electrodébil se rompe por la
'dirección' del condensado BOSE (en un espacio abstracto
que describe las fuerzas de las diversas partículas) de
manera semejante a como la simetría rotacional se rompe
por las direcciones de los ejes cristalinos. Aunque esta
propuesta es simple y concuerda con los hechos conocidos, es poco
probable que comprenda toda la historia. Un aparentemente
artificial, ajuste de parámetros, se hace necesario para
hacer la masa de la partícula HIGGS, suficientemente
pequeña para que el modelo funcione.
Numerosas propuestas alternativas, solucionan este
problema particular, aunque introducen sus propios acertijos. Una
idea, motivada por un fenómeno que ocurre en
superconductores, es que la partícula HIGGS se presenta
como un estado límite. Esto solucionaría el
problema de conseguir su masa correcta, pero también
requiere una multitud de nuevas partículas y fuerzas, que
todavía no se han observado. Deberían ser
perceptibles en el LHC. Hasta ahora, los modelos de este tipo han
funcionado en medio de muchas dificultades, pero quizá la
naturaleza sabe trucos que no conocen los humanos constructores
de modelos.
Una idea más radical es 'supersimetría',
una nueva estructura de la simetría de las
partículas elementales, en la cual se incorporan variables
cuánticas en la estructura del espacio-tiempo. La nueva
simetría sortea las interacciones de la partícula
que harían la masa de la partícula HIGGS demasiado
grande; pero, predice, otra vez, una multitud de nuevas
partículas, que se pudieran descubrir en el LHC y,
quizás, en el Tevatron.
La supersimetría es una idea sobre la ruptura de
la simetría electrodébil que ha tenido
éxitos realmente convincentes. Una relación entre
diversas ratas de interacciones de la partícula, basadas
en supersimetría está bien confirmada
experimentalmente. Además, la mayoría de tentativas
interesantes de unificación más completa de las
fuerzas de la naturaleza ('teorías de gran
unificación' y 'teorías de cuerdas') realmente
funcionan sólo si se asume la supersimetría. Por
otra parte, los modelos supersimétricos plantean numerosas
cuestiones perturbadoras para las cuales los constructores
humanos de modelos, todavía no tienen respuestas
convincentes. Si la supersimetría se confirmara, entonces
el aprendizaje de cómo la naturaleza se ocupa de esas
cuestiones, probablemente nos dará pistas cruciales para
una comprensión más profunda de la
naturaleza.
Otras ideas sobre ruptura de simetría
electrodébil van incluso más lejos. Una
línea del pensamiento vincula este problema a dimensiones
adicionales del espacio-tiempo, de tamaño
subnuclear, pero observables en los aceleradores. Este enfoque es
probablemente un tiro largo, pero la rentabilidad sería
enorme —el descubrimiento de dimensiones adicionales
podría permitir la ocasión para ensayos
experimentales directos de la naturaleza cuántica de la
gravedad y de los hoyos negros.
Finalmente, otra línea del pensamiento relaciona
la ruptura de la simetría electrodébil a la
energía oscura del universo, que los astrónomos han
descubierto hace pocos años observando que la
expansión del universo se está acelerando. Desde
este punto de vista, se intenta relacionar la pequeñez
relativa de la masa de la partícula HIGGS con la
pequeñez de la energía oscura. Un enfoque considera
al principio antrópico, según el cual la
energía oscura y la masa de la partícula HIGGS
toman valores diversos en diversas partes el universo y los
humanos viven inevitablemente en una región en la cual
esos valores son suficientemente pequeños como para
permitir que la vida sea posible. Si es así muchas otras
características del universo que se consideran
generalmente fundamentales —tales como la masa y la carga
del electrón — son también, probablemente,
accidentes ambientales. Aunque se pueda esperar que esta
línea del pensamiento no sea correcta, llegará a
ser, inevitablemente, más popular si los experimentos
demuestran que la ruptura de la simetría
electrodébil está gobernada por el modelo
estándar del libro de texto, con una partícula
HIGGS y nada más.
Hasta ahora, ningunas de estas propuestas
teóricas sobre la ruptura de la simetría
electrodébil son completamente satisfactorias. Se espera
que, para el final de esta década, los resultados
experimentales en el Tevatron y el LHC determinarán la
pista correcta. Pero la diversidad y el alcance de ideas en la
ruptura de la simetría electrodébil sugieren que la
solución a este enigma determinará la
dirección futura de la Física de las
Partículas.
Referencias
GUNION, J. F. et al. The HIGGS Hunter's
Guide. Perseus Books, New York, (1990).
KANE, G. Supersymmetry: Unveiling The
Ultimate Laws Of Nature. Perseus Books, NEW YORK,
(2001).
PESKIN, M. Beyond The Standard Model
online. http://arxiv.org/abs/hepph/9705479 (1997)
WITTEN, E. When symmetry breaks down.
Nature. 429. p. 507 (2004)
Autor:
Alberto R. Mejías E.
Licenciado en Matemática, egresado de la Facultad
de Ciencias de la Universidad de los Andes (ULA)
MéridaVenezuela. Es profesor jubilado de la Universidad de
los Andes.