En concreto, la energía es una cantidad que depende de cómo midamos las distancias y los intervalos de tiempo. Un automóvil de prueba que choca a gran velocidad contra una pared de ladrillos tiene obviamente energía. No obstante, si el veloz automóvil se aproxima a la velocidad de la luz, sus propiedades de distorsionan. Se contrae como un acordeón y los relojes en su interior se frenan. Lo que es más importante, Einstein descubrió que la masa del automóvil también aumenta cuando se acelera. Pero, ¿de dónde procede este exceso de masa?, y él concluyó que procedía de la energía.

La teoría desarrolla un sistema de matemáticas con el fin de reconciliar estas afirmaciones en aparente conflicto. Una conclusión de la teoría es que la masa de un cuerpo, m, aumenta con su velocidad, v, de acuerdo con la relación:

donde m₀ es la masa en reposo del cuerpo. Einstein también concluyó que si un cuerpo pierde energía L, su masa disminuirá en L/c². Einstein generalizó esta conclusión al importante postulado de que la masa de un cuerpo es una medida de su contenido en energía, de acuerdo con su ecuación m=E/c² que, en su versión más conocida es E=mc².

Esto tuvo consecuencias perturbadoras. Dos de los grandes descubrimientos de la física del siglo XIX fueron la conservación de la masa y la conservación de la energía; es decir, la masa total y la energía total de un sistema cerrado, tomados por separado, no cambian. Por ejemplo, si el coche veloz choca contra el muro de ladrillos, la energía del automóvil no desaparece, sino que se convierte en energía sonora del choque, energía cinética de los fragmentos de ladrillo que vuelan por los aires, energía calorífica, y así sucesivamente. La energía total (y la masa total) antes y después del choque es la misma.

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Hablamos de un Universo que tiene más de 4 dimensiones y que nosotros sólopodemos “ver” a través de de las complejas ecuaciones topológicas de las teorías de supercuerdas y supergravedad.La Teoría de la Suopergravedad funciona bien, pero no del todo. En algunos puntos la formulación matemátioca mp funciopna perfectamente. No todos los tipos de partíoculas se ajustan al Modelo y, además, no se cancelan todos los infinitos. Con una incansable perseverancia, los investigadores han intentado aplicar las mismas teorías en espacios con muchas más dimensiones que el nuestro.

Un espacio bidimensional puede ser comparado con la superficie de un folio de papel en blanco. Supongamos que cogemos el folio y lo enrollamos para formar un cilindro. Para una pequeña araña roja que paseara sobre el papel, la diferencia sería inapreciable. La araña necesita mucho tiempo para andar a lo largo de un círculo completo sobre el cilindro, y probablemente, no notaría que vuelve al punto de partida. Decimos que este mundo es aun  bidimensional, aunque visto desde cierta distancia el tubo es como un palo que tuviese solamente una simensión. En el mismo sentido, el mundo de las partículas muy pequeñas podría tener más de tres dimensiones (del tipo espacial). Estas partículas pequeñas serían como nuestra propia araña roja y no notarían que algunas de las dimensiones se había “enrollado”. Para nosotros, estas dimensiones enrolladas se han hecho visible.

Arrugar, romper o fracturar la continuidad clásica para aumentar la capacidad de un objeto de ocupar espacio, o enrollarlo para disminuir dicha capacidad. He aquí la cuestión, aparentemente trivial, que puede llevarnos a entender mejor el propio nacimiento de nuestro Universo.

Esta idea ya había sido sugerida por Theodor Kaluza en 1919 y fue elaborada posteriormente por Oskar Klein en Estocolmo, Suiza. Pero descubrieron algo más: ¡la componente del campo gravitatorio en la dirección en la que se enrolla el espacio obedece exactamente a las mismas leyes del electromagnetismo de Maxwell!

El profesor Theodor Kaluza nos hablaba de la Quinta Dimensión que unificaba la Relatividad de Einstein con la Teoría de Maxwell. Todo en cinco dimensiones…Ahí comenzó toda la historia que después, desembocaron enm las supersimetrías, supergravedad, cuerdas y supercuerdas, cuerda heteráotica y teoría M…¿Qué vendrá después?

La respuesta de Klein a esta pregunta fue ingeniosa al decir que estaba enrollada o compactada en la distancia o límite de Planck, ya que, cuando comenzó el Big Bang, el Universo se expandió sólo en las cuatro dimensiones conocidas de espacio y una de tiempo, pero esta dimensión no fue afectada por la expansión y continua compactada en L_p=√(Għ/c³),cuyo valor es del orden de 10^{-35 metros, distancia que no podemos ni tenemos medios de alcanzar, es 20 ordenes de magnitud menor que el protón que está en 10 con exponente -15 metro.}

Pues las dimensiones que nos faltan en la teoría decadimensional, como en la de Kaluza – Klein, también están compactada en una recta o en un círculo en esa distancia o límite de Planck que, al menos por el momento, no tenemos medios de comprobar dada su enorme pequeñez menor que un protón.

¿Cómo pueden estar enrolladas unas dimensiones?

Bueno, igual que para explicar de manera sencilla la gravedad mediante el ejemplo de una sábana estirada por los 4 extremos, en la que ponemos un enorme peso en su centro y se forma una especie de hondonada que distorsiona la superficie antes lisa de la sábana, al igual que un planeta distorsiona el espacio a su alrededor, de manera tal que cualquier objeto que se acerca a la masa del objeto pesado, se ve atraído hacia él.Pues bien, en las dimensiones de espacio enrolladas, utilizamos el símil de la sábana con bandas elásticas en las esquinas.

La sábana que tenemos es pequeña y la cama es grande.Con esfuerzo logramos encajar las cuatro esquinas, pero la tensión es demasiado grande; una de las bandas elásticas salta de una esquina, y la sábana se enrolla. Este proceso se llama ruptura de simetría.La sábana uniformemente estirada posee un alto grado de simetría.La sábana se enrolla.Se puede girar la cama 180º alrededor de cualquier eje y la sábana permanece igual.Este estado altamente simétrico se denomina falso vacío.Aunque el falso vacío aparece muy simétrico, no es estable. La sábana no quiere estar en esta condición estirada. Hay demasiada tensión y la energía es demasiado alta.Pero, la sábana elástica salta y se enrolla.La simetría se rompe, y la sábana pasa a un estado de energía más baja con menor simetría. Si notamos la sábana enrollada 180º alrededor de un eje ya no volvemos a tener la misma sábana.

Reemplacemos ahora la sábana por el espacio-tiempo decadimensional, es espacio-tiempo de simetría definitiva. En el comienzo del tiempo, el universo era perfectamente simétrico.Si alguien hubiera estado allí en ese instante, podría moverse libremente y sin problemas por cualquiera de las diez dimensiones. En esa época la Gravedad y las fuerzas débiles y fuertes y electromagnéticas estaban todas ellas unificadas por la supercuerda. Sin embargo, esta simetría no podía durar. El Universo decadimensional, aunque perfectamente simétrico, era inestable, la energía existente muy alta, exactamente igual que la sábana, estaba en un falso vacío. Por lo tanto, el paso por efecto túnel hacia un estado de menor energía era inevitable. Cuando finalmente ocurrió el efecto túnel, tuvo lugar una transición de fase y se perdió la simetría.

Las transiciones de fases pueden ser también asuntos bastante explosivos. Por ejemplo, pensemos en un río que ha sido represado.Tras la presa se forma rápidamente un embalse con agua a enorme presión Puesto que es inestable, el embalse está en el falso vacío.El agua preferiría estar en su verdadero vacío, significando esto que preferiría reventar la presa y correr aguas abajo, hacia un estado de menor energía.Así pues, una transición de fase implicaría un estallido de la presa, que tendría consecuencias desastrosas.

También podría poner aquí el ejemplo más explosivo de una bomba atómica, donde el falso vacío corresponde al núcleo inestable de uranio donde residen atrapadas enormes energías explosivas que son un millón de veces más poderosas, para masas iguales, que para un explosivo químico.De vez en cuando, el núcleo pasa por efecto túnel a un estado más bajo, lo que significa que el núcleo se rompe espontáneamente.Esto se denomina desintegración radiactiva.Sin embargo, disparando neutrones contra los núcleos de uranio, es posible liberar de golpe esta energía encerrada según la formula de Einstein E=mc², por supuesto, dicha liberación, es una explosión atómica ¡menuda transición de fase!

Una transición de fase que perseguimos, es dominar la Galaxia, poder moldearla con nuestras manos, y, si eso llega a ser posible alguna vez, seremos los señores del Hiperespacio.Para entonces, los misteriosos agujeros negros no tendrán secretos para nosotros, las energías perdidas tampoco y…los viajes en el tiempo, serán cosa cotidiana. ¿Será realidad algún día ese pensamiento?

Las nuevas características descubiertas por los científicos en las transiciones de fases es que normalmente van acompañadas de una ruptura de simetría.Al premio Nobel Abdus Salam le gusta la ilustración siguiente: consideremos una mesa de banquete circular, donde todos los comensales están sentados con una copa de champán a cada lado.Aquí existe simetría.Mirando la mesa del banquete reflejada en un espejo, vemos lo mismo: cada comensal sentado en torno a la mesa, con copas de champán a cada lado.Asimismo, podemos girar la mesa de banquete circular y la disposición sigue siendo la misma.

Rompamos ahora la simetría.Supongamos ahora que el primer comensal toma la copa que hay a su derecha.Siguiendo la pauta, todos los demás comensales tomaran la copa de champán de su derecha.Nótese que la imagen de la mesa del banquete vista en el espejo produce la situación opuesta.Cada comensal ha tomado la copa izquierda.De este modo, la simetría izquierda-derecha se ha roto.

Así pues, el estado de máxima simetría es con frecuencia también un estado inestable, y por lo tanto corresponde a un falso vacío.

Con respecto a la teoría de supercuerdas, los físicos suponen (aunque todavía no lo puedan demostrar) que el universo decadimensional original era inestable y pasó por efecto túnel a un universo de cuatro y otro de seis dimensiones.Así pues, el universo original estaba en un estado de falso vacío, el estado de máxima simetría, mientras que hoy estamos en el estado roto del verdadero vacío.

           Vivímos en un mundo tridimensional y, cuando queremos escenificar ese mundo de más dimensiones… ¡No podemos!

Sólo las matemáticas lo consiguen dibujar. La última parada antes de que tal cosa suceda se llama “supergravedad”, una construcción matemáticamente complicada que consigue combinar la supersimetría con la fuerza gravitatoria pero, ¿qué es la supergravedad? Meternos en esos berengenales matemáticos sería algo engorroso y (para muchos) aburrido.

¿Qué pasa entonces con la supergravedad? Aquí, al principio las cosas parecen mucho mejores e incluso al nivel de tres lazos nada parece ir mal. Los entusiastas afirman que esto no podía ser uhna coincidencia y que la teoría final de todasd las fuerzas podría estar a la vista. ¿Una teoría de todas las fuerzas? ¿Podemos imaginar una cosa así? ¿Sería posible una formulación exacta  de las leyes de la física? ¿Se podría encontrar eso alguna vez?. Claro que, todo esto nos lleva a “universos” insospechados, lugares cada vez más pequeños en un reino donde el espacio y el tiempo dejan de existir, ya no podemos hablar de puntos y, nos vemos obligados a tener que hablar de cuerdas vibrantes.

¿Quién sabe? Como decía en alguna ocasión, también en esta ocasión, los teóricos podrían haber dado en el blanco y, con su intuición “infinita”, haber descubierto que toda la materia del universo está formada por cuerdas vibrantes y armónicas que se conjugan de diferentes maneras, produciendo con sus pulsos, nuevas partículas.

¡Es todo tan extraño! ¡Es todo tan complejo! y, sobre todo…¡sabemos tan poco!

según lo que podemos entender y hasta donde han podido llegar nuestros conocimientos actuales, ahora sabemos donde están las fronteras: donde las masas o las energías superan 10¹⁹ veces la masa del protón, y esto implica que estamos mirando a estructuras con un tamaño de 10^-33 centímetros. Esta masa la conocemos con el nombre demasa de Planck y a la distancia correspondiente la llamamos distancia de Planck. La masa de Planck expresada en gramos es de 22 microgramos, que la es la masa de un grano muy pequeño de azúcar (que, por otra parte, es el único número de Planck que parece más o menos razonable, ¡los otros números son totalmente extravagantes!). Esto significa que tratamos de localizar una partícula con la precisión de una longitud de Planck, las fluctuaciones cuánticas darán tanta energía que su masa será tan grande como la masa de Planck, y los efectos de la fuerza gravitatoria entre partículas, así, sobrepasarán los de cualquier otra fuerza. Es decir, para estas partículas la gravedad es una interacción fuerte.

Si la Gravedad llega a ser un ainteracción fuerte, será un verdadero desastre. No se puede evitar lamentando que hará de la gravedad algo tan difícil como “la cromodinámica cuántica” cuando interacciona con los quarks. Aquí la situación es mucho más grave. Cuanto más pequeñas sean las estructuras que tratamos de estudiar más intensa es esta fuerza, hasta el extremo de que incluso los intentos más burdos para describirla darán lugar a resultados completamente absurdos.

Todo lo que conocemos acerca de la naturaleza será inválido en la escala de Planck, y nosotros que pensábamos que conocíamos todo con gran precisión. La Teoría de Einstein acerca de la naturaleza de la fuerza gravitatoria funciona espléndidamente. parter de un principio muy fundamental, uno que practicamente tiene que ser correcto: la gravedad es una propiedad del espacio y el tiempo mismos. El Espacio y el Tiempo están “curvados” quiero decir exactamente lo que sucede a un trozo de papel cuando se humedece: de deforma y no hay manera de alisarlo ni pasándole la plancha caliente. La guerza Gravitatoria es la responsable de semente rugosidad en el espacio tiempo.

Cuando me sumerjoen los problemas de la Física, siempre acabo perdido.

emilio silvera

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De la misma forma que ocurre con las estrellas de las que existen una gran variedad, en colores -según los elementos de los que cada una esté conformada-, dimensiones, masa, y otros parámetros que las definen, con los mundos ocurre otro tanto. No solo existen mundos rocosos y gaseosos (clasificación que seríe una simplicidad), sino que, dependiendo de una serie de requisitos y circunstancias, los mundos pueden ser de muchas y diversas maneras. De hecho, nos queda por descubrir algún mundo de Agua, es decir, que toda su superficie sea un inmenso océano.

¿Cómo se viviría en un mundo así? ¿Como sentiríamos la Gravedad de ese enorme planeta vecino tan cercano? Existen mundos en el espacio exterior que están alumbrados por estrellas enanas rojas cercanas a ellos, otros, se ven alumbrados por una luz intensamente roja proveniente de una estrella de carbono, también los hay que están a merced de estrellas múltiples, es decir, sistemas de tres o más estrellas ligadas por su atracción gravitacional múltiple (se estima que alrededor de un tercio de todas las binarias conocidas son realmente triples). También ha surgido mundos dependientes de una estrella peculiar, una estrella que se saber que es variable. ¿Cómo sentarían esos cambios o variaciones a sus posibles habitantes? Esposible que, sean estrellas en transición que no permiten la aparición de la vida en sus planetas hasta que no queda estabilizada.

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Los físicos de más edad dejan volar a menudo sus pensamientos hacia aquellos tiempos gloriosos en los que, durante mucho tiempo, ha sido la era de los grandes descubrimientos de la primera mitad del siglo XX: La mecánica cuántica, la relatividad especial y general, la electrodinámica cuántica y los descubrimientos de las primeras partículas elementales.

El Zoo de las partículas llegó a ser tan exótico y numeroso que, Entico Fermi dejó caer aquella famosa frase: “Si tengo que saber de memoria el nombre de todas las partículas que existen,  hubiera sido  botánico”.

Fermi (abajo a la izquierda), Szilárd (segundo desde la derecha abajo), y el resto del equipo de la pila atómica

Claro que, días gloriosos también lo fueron en la década de los 70 cuando fueron colocadas en su sitio muchas piezas del gran puzzle de las interacciones débil, electromagnética y fuerte. El descubrimiento en 1974 de la J/Ψ fue el clímax. Antes de que este se produjera, aún quedaba alguna duda de que la teoría de la interacción débil fuera correcta y se consideraba la teoría de la intertacción fuerte simplemente como una idealización de algo que podría muy bien ser más complicado e insondable.

Pero, pasado algún tiempo, los experimentos llevaron a la convicción de que ambas teorías eran correctas, incluso en sus detalles. Según continuaban los experimentos las sorpresas iban en aumento a medida que surgían detalles más precisos de lo que muchos de aquellos físicos habrían esperado. Una cosa estaba muy clara: vivíamos en un mundo que obedecía meticulosamente a las leyes de las matemáticas, y las matemáticas son difíciles, pero se pueden llegar a entender completamente para poder llegar a esos misteriosos secretos que la Naturaleza trata de esconder y nosotros, de desvelar.

Antes os mencionaba la J/Ψ.  Cuando una partícula J/Ψ se desintegra (o decae), por lo general produce un par de muones. Observa atentamente los dos eventos mostrados a continuación. ¿Hay pruebas de pares de muones (trayectorias en rojo) en uno de estos eventos o en ambos? ¿Podría ser cualquiera de estos eventos un candidato para J/Ψ? ¿Es esta evidencia débil o fuerte? ¿Está seguro de tus conclusiones?

Un evento debe pasar dos pruebas antes de que pueda ser considerado como un candidato para J/Ψ. Usarás un sistema de evaluación para hacer un seguimiento de que tan confidentes eres en tu conclusión. Tú—y tu compañero estudiarán 100 eventos. Corresponderá a los estudiantes, en colaboración con los mentores y con los maestros, determinar el peso que asignaran a cada uno de los criterios y evaluaciones usadas. Vas a escribir tus evaluaciones en una hoja de datos.

Para ser una posible candidato a J/Ψ, el evento debe contener dos trayectorias de muones de cargas eléctricas opuestas.

Seguir hasta el final el proceso sería tedioso y, con este esbozo, sólo he querido significar que, llegar a conclusiopnes finales nunca ha sido fácil y se han necesitado de muchos experimentos, desechar todo aquello que no implican sucesos importantes paras lo que se busca, y un sin fin de cuestiones que hay que tener en cuenta antes de dar por bueno éste o aquel experimento de cuyos resultados veremos, finalmente, si coincide con la teoría.

Mucho tendríamos que aprender sobre los mecanimso misteriosos que rigen ese objeto que arriba vemos para poder entender que hayamos podido llegar a saber sobre el mundo físico de la materia y las fuerzas que lo rigen. Es una maravilla que tardaremos mucho tiempo en poder explicar.

Claro que, durante cualquiera de estos procesos, por el camino, nos encontramos con maravillas que nos invitan a la reflexión. ¿Cómo puede ser el cerebro humano capaz de entender totalmente el extraño mundo de las partículas subatómicas más exóticas y con tanto detalle? ¿Es que nuestro cerebro ha evolucionado al margen y más rápidamente que lo que tendría que haber sido conforme a la evolcuioón natural? Si lo pensamos bien, hasta ayaer mismo estábamos atareados con arcos y flechas y, hoy, tratamos de desentrañar los más recóndidos misterios de la Naturaleza de la materia queriendo desvelar sus componentes y como se comportan y por qué lo hace de esa manera.

La partícula J/Ψ se desintegra cuando dos quarks se aniquilan entre sí produciendo tres gluones, Estos gluones a su vez, se desintegran en piones, kaones o lo que sea, pero es la primera interacción, que se produce muy lentamente, la que determina la duración de su vida total. Sustituyendo los números, se encontró que se ajustaban razonablemente a las observaciones y no se tardó mucho en lograr que esta explicación fuera aceptada por la comunidad científica.

Ahora que las propiedades del quark c se podía determinar con muchio más detalle, los experimentadores sabían exactamente donde podían buscar más. Calculándo las masas de estas partículas paracía razonable deducir que la Ψ´´,  más pesada, podría desintegrarse directamente en mesones con encanto. esta desintegración se produce mucho más rápidamente que la desimtegración de J/Ψ, porque no requiere que se aniquilen antes entre sí un quark y un antiquark con encanto.  Esta es la razón por la que Ψ´´,es menor estable, pero es también la razón por la que el sitio ideal para buscar mesones con encanto sea entre los productos entre los que se descompone, donde, emn efecto, pronto se descubrierom.

En realidad, la partícula J/Ψ fue una pieza que vino a univer varias partes sueltas de nuestro gran puzzle. Por una parte teníamos el perdido quark encanto, necesario para completar la teoría de la interacción débil a través del mecanismo GIM; por otra parte, la cromodinñamica cuántica, con su libertad asintótica, se comportaba tan de acuerdo con las leyes teóruicas, que a muchos les cogió por sorpresa. Al parecer la cromodinámica cuántica no era únicamente un miodelo amplificado: los detalles que hasta aquel momento sólo unos pocos habían tomado en serio, se ajustaban perfectamente a todas las observaciones.

La QCD   es una parte  integral del modelo atómico estándar. El nombre cromodinámica viene del hecho de que las partículas que interactúan a través de la fuerza fuerte tienen una propiedad denominada color, que puede ser dicha como un análogo de carga eléctrica.

Es universalmente aceptada como la teoría fundamental de las interacciones fuertes. La estructura de esa teoría guarda relación con la electrodinámica cuántica (QED). Las interacciones electromagnéticas no diferencian partículas que tengan la misma carga eléctrica. Así, un electrón es un antiprotón –ambos negativos – parecerían ser la misma partícula desde el punto de vista de un fotón, si no fuese por su diferencia de masa entre ambas partículas.

Veltman que era un excéptico empedernido, si se tiene una teoría,  decía, se debería predecir algo y no sólo decir retrospectivamente que todo encaja perfectamente.  Lo cierto era que, para las partículas descubiertas por aquel entonces, se tenía un esquema bastante detallado de las interacciones débil, electromagnética y fuerte. Había una sola cosa que no estaba del todo bien en el esquema: Que por término medio , tres de cada mil mesones K_L se desintegraban en piones, violando así, la conservación de la simetría PC. ¿Qué fuerza sería la responsable de ese fenómeno?

El modelo estándar es una jungla de constantes por determinar: las masas de las partículas, las cargas eléctricas y otros valores. Sin embargo, gracias al modelo estándar podemos conocer casi todas las reacciones que tienen lugar en los aceleradores de partículas. Es adoptar un punto de vista pragmático y conseguir avanzar mientras la física teórica trabaja para encontrar las razones profundas. Por eso es muy habitual en este mundo encontrarse con la constante búsqueda de simetrías y leyes de conservación, porque sencillamente, simplifican mucho las cosas.

En este caso tratamos con una simetría llamada simetría de carga-paridad. Viene a decir que si tenemos una cierta interacción física, si cogemos las ecuaciones que la describen, cambiamos de signo las cargas eléctricas (+q por -q) y cambiamos izquierda por derecha y viceversa (+x por -x, o lo que es lo mismo, ver nuestro sistema en un espejo) nos encontramos con el mismo escenario físico. Vale, las partículas han cambiado y tal, pero la física que ocurrirá ahí es la misma. Dicho así parece muy ad hoc, pero esta simetría la cumplen tanto la interacción fuerte, como la electromagnética como la gravedad (en este caso, la masa no tiene signo y la gravedad no distingue izquierda de derecha, por lo que trivialmente se cumple siempre).

Se propuso la simetría CP al descubrirse en los años 50 que la paridad no era una simetría fundamental. Pero cuando se testeó esta simetría en una interacción débil, la cosa se vino abajo. El primer experimento fue en un núcleo de Cobalto 60 en el año 1956 donde se vió que la interacción débil rompe la simetría de paridad. Esto quiere decir que las reacciones que ocurren con cierta frecuencia en un lado del espejo, no ocurren con tanta frecuencia en el otro.

Por este motivo, se supuso que habría una simetría más general y en 1957 Lev Landau propuso la simetría CP, para hacer que los dos lados del espejo volvieran a ser equivalentes.

El Premio Nobel de Física de 2008 para Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa por el descubrimiento de la conexión entre violación de la simetría CP y la masa en reposo de los quarks más ligeros nos dejó cierto mal sabor de boca. ¿Por qué la asimetría CP es más pequeña de lo necesario? Aparentemente el Modelo Estándar no nos daba la respuesta, aunque ahora Gary Gibbons y sus colaboradores de la Universidad de Cambridge han logrado obtener la respuesta. Es tan pequeña porque las masas de los quarks son pequeñas. ¿Por qué las masas de los quarks más ligeros son tan pequeñas? Nadie lo sabe. Unos misterios se aclaran, otros siguen esperando respuesta.

Pero volvamos a lo que estábamos tratando. La alegría no duró mucho, pues en los años 60 se demostró que era posible romper la simetría CP y esto llevó a ganar el premio Nobel en los años 80 (ya que la teoría suele anteceder a la experimentación).

La violación directa de la simetría CP se observó en una partícula descubierta a finales de los 40 y que trajo al mundo además el descubrimiento de un nuevo tipo de quarks: el extraño (s). Esta partícula (o más bien, familia de partículas) es el kaón. El kaón es un mesón (es decir, una partícula constituida por un quark y un antiquark) formado a partir del quark “up” o el quark “down” y el quark “antiestraño”. Existen de hecho 3 kaones, con carga neutra (down, antistrange + strange, antidown), carga positiva (up, antistrange) y carga negativa (strange, antiup).

El problema es que hace falta una nueva simetría: La Simetría COP en la que se añade un nuevo protagonista: el tiempo. Según esta simetría, además de invertir espacialmente y cambiar la carga por su opuesta, se ve el sistema pulsando el botón de rebobinar. Un espejo de lo más curioso, pero lo cierto es que la simetría CPT tiene todas las papeletas para ser la simetría fundamental, ya que es cumplida por todas las interacciones, que sepamos.

Más aún desde que en 2002 se demostrase (“Data Tables for Lorenztz and CPT Ciolatión”),  Ene 2010, arXiv;) que violar la simetría CPT implica cargarse la invariancia (o covariancia) de Lorentz,  Esta invariancia es uno de los pilares que deben cumplir todas las teorías que pretendan tener sentido físico, aunque luego pueda haber casos de ruptura espontánea de la simetría. Pero la teoría viola Lorentz de entrada, no puede ser válida. Esto es un puntal muy fuerte para la teoría CPT.

Hubo que esperar 40 años, hasta los años 80, en que se relacionara directamente a los kaones con la simetría CP y el problema de la bariogénesis en el universo. Es decir, ¿por qué si hay simetrías por todas partes, el universo está constituido de materia y no de materia y antimateria por partes iguales? ¿Por qué el universo no es una aburrida sopa de fotones?

Claro, si en el inicio del universo se hubiera encontrado la misma cantidad de materia que de antimateria, todo se habría aniquilado haciendo que el universo fuera un gas de fotones de lo más aburrido. Nada de lo que existe, existiría. Pero como de hecho existe, hay que encontrarle explicación. Y en eso consiste el problema de la bariogénesis asimétrica.

Como sea que ocurriera, aunque de hecho hubiera mucha materia y antimateria que se aniquilara, al final la materia venció esta batalla épica que se libró durante la época de Planck.

Pero resulta que no es posible modificar nuestro modelo invocando otro campo de Yang . Mills, Las partículas de espín 1 siempre preservan la simetría PC (¿Podría ser esta la razón por la que la que la simetría PC es tan tenue?.

Se han detectado nuevas partículas que nacen dentro de las enanas blancas de Helio

Podríamos imaginar el efercto que tendría otra partícula de espìn cero, preferiblemente que también sufriera algún tipo de condensación Bose, el resultado sería lo que llamamos la “violación espontánea de PC”. Sin embargo, los modelos resultantes que se obtienen así no son muy populares. Deseamos evitar partículas de espín cero tanto como sea posible, porque añaden muchos parámetros arbitrarios a la interacción. Los modelkos con tales partículas parecen muy artificiales. En si mismo, un argumento de este tipo no es, desde luego, suficiente para escluir una posibilidad, pero ducede que existen alternativas más interesantes.

 Gloshosow            Iliopoulos         Maiani

Recordaréis que Glashow, Iliopoulos y Maiani habían introducido el quarks encanto para entender la estructura simétrica de la interacción débil. Bien, lo que se propuso fue hacerlo de nuevo. Esta vez necesitamos introducir dos quarks más. Los cuatro primeros habían formado pares ( u y d, c y s), con cargas eléctricas + 2/3 y – 1/3. El nuevo par se tenía que parecer a este, pero los nuevos quark podrían fácilmente ser mucho más pesados. Siendo quarks análogos a los “arriba” y “abajo” se llamaron “cima” (t) y “fondo” (b), respectivamente. Pero a veces las mismas letras se utilizan pa<ra darles nombres más poéticos: “verdad” y “belleza”.

Era inevitablemente necesaria una partícula de espín cero para que la interacción débil tuviera las simetrías que tiene a través del mecanismo de Higgs-Kibble. Esta partícula de Higgs se acopla ahora con los quarks y a los leptones para dotarlos de masa. Pero la misma partícula de Higgs también puede producir transiciones entre varios tipos de quarks. Si no existiera interacción débil en absoluto, los qu quarks podrían permanecer en todas clases de estados estables. Es pues, una conspiración entre la interacción débil  y la interacción de Higgs lo que permite muchos tipos de desintegración de los hadrones extraños y con encanto.

Cuanto mayor sea el número de fermiones introducido, más tipos de interacción  puede experimentar el campo de Higgs con esos quarks. Los físicos japoneses Kobayashi y Maskawa escribieron la expresión matemática más general que se puede obtener para las fuerzas. Resultó que uno de los términos de sus ecuaciones no tienen simetría PC, y que ese término sólo aparece si hay, al menos, seis tipos de quarks. Esto hizo que comezaran a buscarse partículas que contuvieran otras especies de quarks.

Podríamos seguir por este camino que hoy he tomado (no muy convencido), sin ver nunca el final de donde podríamos acabar. Hay cuestiones de la Física que me resultan farragosas, espesas, poco diáfanas y que, por mucho que me empeñe, no puedo explicar de manera amena y sencilla que la gente, el posible lector, se involucre en el tema.

Ahora, parece que están anunciando en el LHC que, sobre los primeros días de Julio, se hará el anuncio tan esperado sobre el Bosón de Higgs y, ya veremos en que termina todo esto. La verdad es que, no tengo nada claro muchos de los conceptos que los físicos manejan en la mecánica cuántica y que, no en pocas ocasiones, me dan la sensación de ser, “trucos” ingeniosos que, apoyados por las matemáticas, nos quieren convencer de que el “mundo” es así.

¡Ya veremos en qué queda todo esto!

emilio silvera

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