¿Pueden todas las fuerzas entre partículas ser entendidas bajo un marco unificado?

Aún en épocas preindustriales, la gente tenía conocimiento acerca de electricidad estática, imanes (o piedras magnetizadas) y luz. Desde un punto de vista moderno, esto significa que una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza (Electromagnetismo) era observada sin tecnología moderna. Ahora bien, la gente de esa época no sabía que la electricidad estática, el magnetismo y la luz, eran aspectos diferentes de la misma cosa. Esto se aclaró hasta que James Clerk Maxwell combinó las fuerzas eléctrica y magnética en la teoría del electromagnetismo a mediados del siglo XIX. Las ecuaciones de Maxwell (En conjunto con el descubrimiento del electrón, la primer partícula elemental, en 1897) nos llevó a la invención del radio, y bueno, las tecnologías electrónicas actuales.

Otra fuerza fundamental que fue conocida antes del siglo XX, es la gravedad. La gravedad es la más débil de las fuerzas fundamentales, tanto que, que las fuerzas gravitacionales entre partículas elementales individuales son demasiado pequeñas para ser observadas. Sin embargo, los efectos gravitacionales de muchas partículas son acumulativos. Esta fuerza es la dominante en las galaxias, y en el Universo, en sí.

Fue necesaria la tecnología avanzada del siglo XX para descubrir y entender las otras dos fuerzas que inciden en el comportamiento de las partículas. Algunos átomos decaen radioactivamente emitiendo electrones y neutrinos. En el siglo XX se demostró que estos decaimientos resultan del producto de las interacciones de la fuerza nuclear débil. La fuerza nuclear débil (La cual es de vital importancia en los procesos estelares, formación de elementos más allá del hierro, y la evolución del Universo primigenio) es tan fundamental como el electromagnetismo o la gravedad, pero es mucho menos evidente en la experiencia cotidiana.

El reconocimiento de la energía nuclear fuerte, resultó de la investigación del núcleo atómico. El núcleo consiste de protones y neutrones unidos en una ‘pequeña esfera’. Los protones tienen carga eléctrica positiva, lo cual hace que se repelan entre sí. Sin embargo, ‘algo’ hace que se mantengan unidos en el núcleo. Este ‘algo’ es la fuerza nuclear fuerte.

El entendimiento de las fuerzas nucleares fuertes y débiles depende centralmente de la mecánica cuántica. En la década de 1920, los físicos comenzaron a estudiar las propiedades y comportamiento de las partículas, a entender (En parte) las fuerzas entre ellas. Este proceso culminó medio siglo después con el surgimiento del Modelo Estándar. Este modelo, de una manera muy concisa, describe y explica muchos de los fenómenos que subyacen a la física de partículas y captura con una precisión asombrosa una increíble gama de datos de observación.

El Modelo Estándar tiene otra característica importante. Revela una profunda analogía entre las cuatro fuerzas, en sintonía con el objetivo de Einstein de unificar todas las fuerzas fundamentales. Todas son descritas por ecuaciones similares. En el Modelo Estándar, la fuerza electromagnética, la interacción entre las fuerzas nucleares débil y fuerte, se describen mediante las ecuaciones de Yang-Mills, las cuales son generalizaciones de las ecuaciones de Maxwell. Las ecuaciones de Yang-Mills tienen una estrecha analogía con las ecuaciones de Einstein de la gravedad en su teoría de la relatividad general. La comprensión de las similitudes y diferencias entre estas fuerzas y sus representaciones matemáticas, serán un factor clave para hacer realidad el sueño de Einstein.

En el Modelo Estándar, cada fuerza se realiza por medio de un tipo diferente de partícula. Esto es, las fuerzas son ejercidas por el intercambio de ciertas partículas entre dos objetos. El fotón, el cuál la unidad básica cuántica de la luz, lleva a la fuerza electromagnética. La fuerza nuclear débil es transportada por las partículas conocidas como bosones W y Z. La fuerza nuclear fuerte, que es aquella que une a los quarks para formar partículas tales como protones y neutrones, es transportada por las partículas conocidas como gluones. Como los quarks, los gluones no son vistos de manera aislada debido a la fortaleza de las fuerzas de unión entre sí. Los gluones, por lo tanto, deben ser observados indirectamente, por los patrones de producción de partículas que causan en experimentos de alta energía. Estos patrones han sido estudiados, y los resultados coinciden con la teoría en un amplio rango de energías.

De acuerdo con el Modelo Estándar, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil tienen un origen relacionado, por lo que ambas son descritas en ocasiones como interacciones electrodébiles. El electromagnetismo es mediado por los fotones que obedecen a las ecuaciones de Maxwell. Las interacciones nucleares débiles son mediadas por partículas W y Z que obedecen a los análogos de las ecuaciones de Yang-Mills. Los bosones W y Z tienen una masa muy grande (Cerca de un centenar de veces la masa del protón). ¿Por qué las masas de las partículas W y Z son tan grandes, mientras que el fotón no tiene masa? ¿Por qué las partículas portadoras de fuerza son tan diferentes, con el fotón siendo detectable por nuestros ojos mientras que las partículas W y Z solo se pueden observar con equipo más sofisticado? La resolución de esta cuestión, la cual explicaría porque las interacciones de la energía nuclear débil son débiles, es el principal objetivo de la física de partículas de la próxima década.

Planteando la cuestión de forma diferente, si las ecuaciones son tan similares ¿Por qué las fuerzas son tan diferentes? De acuerdo con el Modelo Estándar, el mecanismo para romper la simetría entre las dos fuerzas es algo que se llama “Ruptura Espontánea de Simetría”. El como se produce exactamente esta ruptura, aún se desconoce. Este proceso determina que las partículas de los otros tres (El fotón y las partículas W y Z) permanecen sin masa, mientras que otros se vuelven masivos. Por otra parte, la teoría predice que debe haber al menos una partícula más asociada con la ruptura de simetría. En el Modelo Estándar, solo hay una partícula así: El bosón de Higgs. El campo asociado con esta partícula le da masa a la materia, actuando como una especie de líquido cuántico invisible que llena el Universo. Las interacciones con este líquido cuántico, proporciona masa a todas las partículas. Los objetos más pesados, tales como las partículas W y Z, son más afectados por el campo de Higgs, los más ligeros interactúan menos con él, y las partículas sin masa como los fotones, se deslizan a través de él campo sin alterarse en absoluto.

La partícula de Higgs, asociada con el campo de Higgs aún no ha sido vista. Uno de los objetivos principales de los experimentos del LHC es descubrir si una simple partícula de Higgs provoca la ruptura de la simetría entre las interacciones nucleares débiles y el electromagnetismo, como en el Modelo Estándar o si hay algún mecanismo más complicado. La masa de la partícula de Higgs (O lo que rompe la simetría electrodébil) puede estimarse aproximadamente. La masa de las partículas W y Z son de 80 y 91 GeV respectivamente (GeV se refiere a Giga-electrón Voltios, siendo una manera de describir la masa de una partícula en términos de su equivalente en energía, 1 GeV es aproximadamente la masa de un protón y 1000 GeV es igual a TeV). La mayoría de los aceleradores existentes podrían haber observado la partícula de Higgs si su masa fuese inferior a 115 GeV y si decayó según lo predicho por el Modelo Estándar. Dado que no se ha observado, debe ser más masiva que eso. Sin embargo, el Modelo Estándar es matemáticamente inconsistente si la partícula de Higgs (O lo que la reemplace) es mucho más pesado que W y Z. De este modo, junto con las medidas experimentales, la partícula de Higgs no debe pesar más de 300 GeV. Se tiene la esperanza de tener éxito en estos experimentos en el Tevatron del Fermilab y el LHC del CERN.

Dos enfoques más, potencialmente importantes para la unificación de las fuerzas de partículas son la “Gran Unificación” y “Supersimetría”. Estas ideas, que explicaré a continuación, son responsables de buena parte de la emoción sobre el potencial de nuevos descubrimientos en la Teraescala.

La gran unificación es la idea de que las tres interacciones del Modelo Estándar (La nuclear débil, nuclear fuerte y electromagnética) son diferentes aspectos de un conjunto único más amplio de las interacciones que tiene una más grande, pero espontáneamente quebrada, simetría. Un argumento poderoso a favor de esta idea es que las fuerzas de acoplamiento de las diferentes interacciones con el cambio de energía, y todos parecen ser más o menos lo mismo a una escala de energía muy alta. Además, los distintos tipos de partículas observadas en la naturaleza encajan perfectamente en los mayores patrones de simetría previstos por la gran unificación. Algunas firmas de la gran unificación pueden ser accesibles para el estudio experimental en la Teraescala, y otras están mejor investigadas por los experimentos sobre las masas de los neutrinos, la polarización de la radiación de microondas cósmicas, el decaimiento de protones y otros fenómenos raros e inusuales.

La supersimetría es un nuevo tipo de simetría que utiliza variables cuánticas para describir el espacio y el tiempo. Si la supersimetría es una simetría de nuestro mundo, el espacio y el tiempo adquieren nuevas dimensiones cuánticas además de las dimensiones conocidas que vemos en la vida cotidiana. Las partículas ordinarias que vibran en la nueva dimensión cuántica aparecen entonces como nuevas partículas elementales, las cuales podrían ser detectadas mediante aceleradores. La supersimetría sugiere que cada partícula conocida tiene una supercompañera aún desconocida. Si la simetría es exacta, los compañeros tienen una masa igual a la de las partículas observadas. Este no es el caso (O los supercompañeros ya se habrían observado), por lo que esta simetría, también debe romperse.

Entonces ¿Por qué los físicos de partículas creen que exista la posibilidad de que la supersimetría sea cierta? La razón es que, sin ella, es muy difícil entender como la escala de ruptura de simetría electrodébil (Caracterizada por las masas del bosón de Higgs y las partículas W y Z) pueda ser tan pequeña en comparación con la escala de posible unificación, donde las fuerzas, electromagnética y las nucleares fuerte y débil se igualan. Es decir, por encima de la escala de ruptura de simetría entre las fuerzas electromagnética y nuclear débil, se esperaría que la intensidad de las fuerzas sea equivalente, pero eso solo sucede a una escala mucho mayor de energía. Por lo tanto, la supersimetría permite entender el motivo por el que W y Z tienen masas alrededor de 100 GeV. Además, la supersimetría hace que la unificación de las tres uniones sea más precisa. De los supercompañeros predichos, la partícula supercompañera neutral más ligera, el neutralino, se cree que es un excelente candidato para explicar la materia oscura del Universo. Los argumentos teóricos sugieren que algunas de las nuevas partículas supersimétricas se producirán en el LHC. La supersimetría es una de las más estimulantes y retadoras nuevas ideas que los físicos exploran en el régimen teraescalar.

Hay una fuerza más en la naturaleza, pero esta no es considera como una fuerza de partículas, dado que sus efectos son muy pequeños para las partículas elementales individuales. Esta fuerza es la gravedad, que es la fuerza dominante de las estrellas, galaxias y el Universo como un todo, pero es tan débil a nivel atómico que no está incluido en el Modelo Estándar. Sin embargo, la gravedad es en realidad muy similar a las otras fuerzas en que, las matemáticas del Modelo Estándar son sorprendentemente similares a las utilizadas para describir la gravedad en la teoría general de la relatividad de Einstein. Por lo tanto, en la física contemporánea, todas las fuerzas de la física se describen de forma similar.

¿Son estas fuerzas simplemente similares o este punto de similitud apunta a una verdadera teoría unificada que incluya a la gravedad así como a las fuerzas de partículas? En el marco teórico de costumbre, las diferencias conducen a un callejón sin salida, y ninguna combinación de las dos teorías, el Modelo Estándar y la relatividad general de Einstein, pueden encontrarse. La comprensión de cómo se combinan la mecánica cuántica y la gravedad es uno de los objetivos de la teoría de las cuerdas. Esta combinación y la búsqueda de formas o maneras de probar de formar experimental estas grandes ideas constituyen grandes desafíos. Sin embargo, estos retos deben afrontarse para entender el desarrollo del Universo.

Esta entrada participa en el XXI Carnaval de Física el cual se aloja en esta edición en el blog La Vaca Esférica de Cristian Ariza

6 comentarios

  1. Puedes creer que es el artículo al que más fácilmente le he entendido, es increíblemente interesante y solo tengo una duda, cuando se refieren a la “teraescala” ¿están hablando de las magnitudes de Tera Electron-Voltios en las fuerzas?

    • Torjo Sagua /

      Ah, muchas gracias Korpil por visitar, leer y participar, por supuesto.

      Respondiendo a tu pregunta. Es correcto lo que mencionas, la teraescala es una región de energía que representa 10E12 electrón-voltios de energía necesaria para acceder a ella.

  2. Hola, un excelente artículo, pero tenemos una duda que no hemos logrado descifrar:

    ¿En qué sentido dices que las matemáticas de la relatividad general y las teorías de Yang-Mills son similares?

    Gracias de antemano.

  3. Hola,

    una gran entrada. Habíamos dejado un comentario pero ha desaparecido, así que lo intentamos otra vez, ¿en qué sentido la gravedad y las teorías de Yang-Mill tienen una formulación similar?

    Y otra pregunta, la supersimetría relaciona grados de libertad internos (no espaciotemporales) de las partículas. Pero por sí misma no introduce una unificación de las interacciones. ¿A qué te refieres con que la supersimetría es una forma de unificar?

    Gracias de antemano.

    • Torjo Sagua /

      Gracias por escribir y pasar a leer. Mil disculpas por el retraso en las respuestas, he estado desconectado. Haré una publicación pronto para satisfacer tus dudas.

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