¿Pueden todas las fuerzas entre partículas ser entendidas bajo un marco unificado? Parte 2

NOTA: Esta entrada es continuación de “¿Pueden todas las fuerzas entre partículas ser entendidas bajo un marco unificado?” publicada el 4 de julio de 2011.

Rompimiento de la simetría

Uno de los conceptos más importantes en física es el rompimiento espontáneo de la simetría. Las leyes de la naturaleza con frecuencia tienen una simetria mucho mayor que los fenómenos que en realidad observamos. La razón es que el estado de baja energía de un sistema con frecuencia no tiene una simetría total inherente a las leyes. Un ejemplo sería el de una esfera colocada en la punta de un sombrero, tal como se muestra en la imagen destacada.

Cuando la esfera se coloca en la punta, la configuración es simétrica (La esfera y el sombrero lucen idénticos desde cualquier lado), pero ¡La esfera no permanece encaramada por mucho tiempo! Al decrecer la energía del sistema, la esfera comienza a rodar cuesta abajo en una dirección u otra. Podría rodar en cualquier dirección, pero tiene que escoger una dirección, y en ese punto, la simetría se ha quebrado. El rompimiento espontáneo de la simetría describe un sistema donde un estado de baja energía tiene menos simetría que las ecuaciones que describen ese sistema.

La naturaleza tiene otros ejemplos. Otro sencillo es el manejo de una escoba que es balanceada, colocándola de forma vertical en la orilla de una mesa plana circular. Las ecuaciones que describen ese sistema son simétricas con respecto a la rotación del eje definido por la escoba vertical, pero cuando esta cae, en cualquier dirección, en consecuencia, la simetría se rompe espontáneamente. De la misma manera, un pedazo de hierro magnetizado es otro ejemplo de rompimiento de la simetría. Cuando se funde el hierro, los spins de los átomos individuales de hierro apuntan en todas direcciones y las ecuaciones describen que sus interacciones tienen simetría rotacional, pero una vez que el hierro se enfría, tiene un estado de baja energía, en el cual, sus spins, están alineados predominantemente en alguna dirección, otorgándole al hierro un eje magnético que rompe la simetría rotacional.

La simetría que se rompe en la física de partículas es la simetría entre los diferentes tipos de partículas de la fuerza nuclear débil (El fotón, el bosón W y el bosón Z). De forma experimental, lucen completamente diferentes. Nosotros observamos los fotones con nuestros ojos, pero necesitamos aceleradores para detectar los bosones W y Z.  Aún las ecuaciones fundamentales que describen esas partículas (Y las fuerzas intermedias) son casi las mismas.

Esta diferencia es en gran parte responsable de la naturaleza de nuestro Universo. Como están las partículas, así se encuentran las fuerzas entre ellas. Debido a que el rompimiento de la simetría entre los fotones y los bosones W y Z, la electricidad (Mediada por los fotones) es la base del mundo moderno y las fuerzas débiles (Mediadas por los bosones W y Z) se encuentran ocultas mayoritariamente en el interior de los átomos individuales.

Con el descubrimiento de la partícula de Higgs en los aceleradores, o quizás algo aún más complejo, los físicos esperan aprender como la naturaleza rompe la simetría entre las diferentes partículas y fuerzas.

Un comentario

  1. Eso sería interesante… con el conocimiento de como se rompe la simetría, podrían elaborarse desde simulaciones por computadora mucho más reales hasta, podría ser, una especie de predicción limitada del futuro.

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