Ya hemos descrito en trabajos anteriores las dos familias de partículas elementales: Quarks y Leptones. Pero hasta ahí, no se limita la sociedad del “universo” infinitesimal. Existen además las antifamilias. A quarks y electrones se asocian, por ejemplo, antiquarks y antielectrones. A cada partícula, una antipartícula.

Uno de los primeros éxitos de la teoría relativista del campo cuántico fue la predicción de las antipartículas: nuevos cuantos que eran la imagen especular de las partículas ordinarias. Las antipartículas tienen la misma masa y el mismo spin que sus compañeras las partículas ordinarias, pero cargas inversas. La antipartícula del electrón es el positrón, y tiene, por tanto, carga eléctrica opuesta a la del electrón. Si electrones y positrones se colocan juntos, se aniquilan, liberando la energía inmensa de su masa según la equivalencia masa-energía einstrniana.

¿Cómo predijeron los físicos la existencia de antipartículas? Bueno, por la «interpretación estadística» implicaba que la intensidad de un campo determinaba la probabilidad de hallar sus partículas correspondientes. Así pues, podemos imaginar un campo en un punto del espacio describiendo la creación o aniquilación de sus partículas cuánticas con una probabilidad concreta. Si esta descripción matemática de la creación y aniquilación de partículas cuánticas se inserta en el marco de la teoría relativista del campo cuántico, no podemos contar con la posibilidad de crear una partícula cuántica sin tener también la de crear un nuevo género de partícula: su antipartícula. La existencia de antimateria es imprescindible para una descripción matemáticamente coherente del proceso de creación y aniquilación según la teoría de la relatividad y la teoría cuántica.

La misteriosa sustancia conocida como materia oscura puede ser en realidad una ilusión, creada por la interacción gravitacional entre partículas de corta vida de materia y antimateria. Un mar hirviente de partículas en el espacio puede crear la gravedad repulsiva.

Puede ser posible que las cargas gravitacionales en el vacío cuántico podrían proporcionar una alternativa a la materia oscura. La idea se basa en la hipótesis de que las partículas y antipartículas tienen cargas gravitacionales de signo opuesto. Como consecuencia, los pares de partícula-antipartícula virtuales en el vacío cuántico y sus dipolos de forma gravitacional (una carga gravitacional positivos y negativos) pueden interactuar con la materia bariónica para producir fenómenos que se suele atribuir a la materia oscura. Fue el  físico del CERN, Dragan Slavkov Hajdukovic, quien propuso la idea, y demostró matemáticamente que estos dipolos gravitacionales podrían explicar las curvas de rotación de las galaxias observadas sin la materia oscura en su estudio inicial. Sin embargo,  señaló que quedaba mucho por hacer.

Pero sigamos con la cuántica…

El pionero en comprender que era necesario que existiesen antipartículas fue el físico teórico Paul Dirac, que hizo varías aportaciones importantes a la nueva teoría cuántica. Fue él quien formuló la ecuación relativista que lleva hoy su nombre, y a la que obedece el campo electrónico; constituye un descubrimiento comparable al de las ecuaciones del campo electromagnético de Maxwell. Cuando resolvió su ecuación, Dirac se encontró con que además de describir el electrón tenía soluciones adicionales que describían otra partícula con una carga eléctrica opuesta a la del electrón. ¿Qué significaría aquello? En la época en que Dirac hizo esta observación, no se conocían más partículas con esta propiedad que el protón. Dirac, que no deseaba que las partículas conocidas proliferasen, decidió que las soluciones adicionales de su ecuación describían el protón.

Pero, tras un análisis más meticuloso, se hizo evidente que las partículas que describían las soluciones adicionales tenían que tener exactamente la misma masa que el electrón. Quedaba así descartado el protón, cuya masa es por lo menos, 1.800 veces mayor que la del electrón. Por tanto, las soluciones adicionales tenían que corresponder a una partícula completamente nueva de la misma masa que el electrón, pero de carga opuesta: ¡El antielectrón! Esto quedó confirmado a nivel experimental en 1932 cuando Carl Anderson, físico del Instituto de Tecnología de Calífornia, detectó realmente el antielectrón, que hoy se llama positrón.

Antes de empezar, debemos recordar que el Premio Nobel de Física de 1936 se repartió a partes iguales entre Victor Franz Hess y Carl David Anderson. Merece la pena leer la Nobel Lecture de Carl D. Anderson, “The production and properties of positrons,” December 12, 1936, quien nos explica que en esta imagen un “electrón” de 63 MeV atraviesa un placa de plomo de 6 mm y emerge con una energía de 23 MeV, pero lo hace con la curvatura “equivocada” como si fuera una partícula de carga positiva, como si fuera un protón pero con la masa de un electrón. La Nobel Lecture muestra muchas otras fotografías de positrones y electrones. Anderson afirma: “The present electron theory of Dirac provides a means of describing many of the phenomena governing the production and annihilation of positrons.”

Por otro lado, el Premio Nobel de Física de 1933 se repartió a partes iguales entre Erwin Schrödinger y Paul Adrien Maurice Dirac. También vale la pena leer la Nobel Lecture de Paul A. M. Dirac, “Theory of electrons and positrons,” December 12, 1933, aunque no cuente la historia de su descubrimiento, afirma que su ecuación predice el “antielectrón” de soslayo: ”There is one other feature of these equations which I should now like to discuss, a feature which led to the prediction of the positron.” (fuente: Francis (th)E mule Science’s News).

La aparición de las antipartículas cambió definitivamente el modo de pensar de los físicos respecto a la materia. Hasta entonces, se consideraba la materia permanente e inmutable. Podían alterarse las moléculas, podían desintegrarse los átomos en procesos radiactivos, pero los cuántos fundamentales se consideraban invariables. Sin embargo, tras el descubrimiento de la antimateria realizado por Paul Dirac hubo que abandonar tal criterio. Heisenberg lo expresaba así:

“Creo que el hecho de que Dirac haya descubierto partículas y antipartículas, ha cambiado toda nuestra visión de la física atómica… creo que, hasta entonces, todos los físicos habían concebido las partículas elementales siguiendo los criterios de la filosofía de Demócrito, es decir, considerando esas partículas elementales como unidades inalterables que se hallan en la naturaleza como algo dado y son siempre lo mismo, jamás cambian, jamás pueden transmutarse en otra cosa. No son sistemas dinámicos, simplemente existen en sí mismas. Tras el descubrimiento de Dirac, todo parecía distinto, porque uno podía preguntar: ¿por qué un protón no podría ser a veces un protón más un par electrón-positrón, etc.?… En consecuencia, el problema de la división de la materia había adquirido una dimensión distinta.”

Dado que la antimateria tiene la misma masa que la materia, es decir son de la misma magnitud y signo (la definición de masa es positiva siempre), el efecto gravitacional de la antimateria no debe ser distinto de la materia, es decir, siempre sera un efecto atractivo. Pero, ¿acaso no importa la equivalencia establecida de antipartícula viajando al futuro = partícula viajando al pasado?

    Existe un “universo” que se nos escapa de la comprensión

La respuesta es sí. Dicha equivalencia proviene de algo llamado simetría CPT (Charge-Parity-Time), y nos dice que la equivalencia entre las partículas y antipartículas no solo corresponde a realizar una transformación sobre la carga, sino también sobre la paridad y el tiempo. La carga no afecta la gravedad, pero la paridad y el tiempo si la afectan. En otras palabras, al modificarse el tiempo (poner el tiempo al reves) y el espacio (la paridad es “girar” el espacio), estamos alterando el espacio-tiempo, y como la teoría general de la relatividad lo afirma, es la geometría de este el que determina la gravedad.

El carácter mutable de la materia se convirtió en piedra angular de la nueva física de partículas. El hecho de que partículas y antipartículas puedan crearse juntas a partir del vacío si se aporta energía suficiente, no sólo es importante para entender cómo se crean las partículas en aceleradores de alta energía, sino también para entender los procesos cuánticos que se produjeron en el Big Bang.

Partículas y campos, clásicos y cuánticos. Las nociones clásicaqs de partícula y campo comparadas con su contrapartida cuántica. Una partícula cuántica está deslocalizada: su posición se reparte en una distribución de probabilidad. Un campo cuántico es equivalente a un colectivo de partículas cuánticas.

Como ya lo hemos expresado, el conocimiento que se obtuvo sobre la existencia de antifamilias de partículas o familias de antipartículas es una consecuencia de la aplicación de la teoría relativista del campo cuántico, para cada partícula existe una partícula que tiene la misma masa pero cuya carga eléctrica (y otras llamadas cargas internas) son de signo opuesto. Estas son las antipartículas. Así, al conocido electrón, con carga negativa, le corresponde un «electrón positivo» como antipartícula, llamado positrón, descubierto en 1932. El antiprotón, descubierto en 1956, tiene la misma masa que el protón, pero carga eléctrica negativa de igual valor. El fotón, que no tiene masa ni carga eléctrica, puede ser considerada su propia antipartícula.

Un agujero negro es un objeto que tiene tres propiedades: masa, espin y carga eléctrica. La forma del material en un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teoría, el material continuaría colapsando hasta tener radio cero, punto conocido como Singularidad, de densidad infinita.

Un agujero negro tiene tres propiedades: masa, espín y carga eléctrica. La forma del material de un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teoría, el material continuaría colapsando hasta tener radio cero, punto conocido como singularidad, de densidad infinita.

Cada partícula está caracterizada por un cierto número de parámetros que tienen valores bien definidos: su masa, carga eléctrica, spin o rotación interna y otros números, conocidos como cuánticos. Estos parámetros son tales que, en una reacción, su suma se mantiene y sirve para predecir el resultado. Se dice que hay conservación de los números cuánticos de las partículas. Así, son importantes el número bariónico, los diversos números leptónicos y ciertos números definidos para los quarks, como la extrañeza, color, etc. Estos últimos y sus antipartículas tienen cargas eléctricas (± 1/3 o ± 2/3) y números bariónicos (±1/3) fraccionarios. No todos los números asociados a cada partícula han sido medidos con suficiente precisión y no todas las partículas han sido detectadas en forma aislada, por lo menos de su ligamento, como el caso de los quarks y de los gluones.

Los gluones son una especie de «partículas mensajeras» que mantienen unidos a los quarks. Su nombre proviene del término inglés “glue”, que significa pegamento, en español quizás podría ser gomón. Ahora, en cuanto a los quarks, ya hicimos referencia de ellos anteriormente. Pero recordemos aquí, que fueron descubiertos en 1964 por Murray Gell-Mann, como los componentes más reducidos de la materia. Hasta entonces se pensaba que los átomos consistían simplemente en electrones rodeando un núcleo formado por protones y electrones.

En estado natural, quarks y gluones no tienen libertad. Pero si se eleva la temperatura a niveles 100.000 veces superiores, como se ha hecho en aceleradores de partículas, a la del centro del Sol, se produce el fenómeno del desconfinamiento y por un brevísimo tiempo quedan libres. En ese preciso momento aparece lo que se suele llamar plasma, «una sopa de quarks y gluones» que equivale al estado en que se podría haber encontrado la naturaleza apenas una milésima de segundo luego del Big Bang.

Recientemente se ha descubierto un nuevo estado de la materia, esta vez a niveles muy altos de energía, que los científicos han denominado Plasma Gluón-Quark. La transición ocurre a temperaturas alrededor de cien mil millones de grados y consiste en que se rompen las fuertes ligaduras que mantienen unidos los quarks dentro de los núcleos atómicos. Los protones y neutrones están formados, cada uno, por 3 quarks que se mantienen unidos gracias a los gluones (El gluón es la partícula portadora de interacción nuclear fuerte, fuerza que mantiene unida los núcleos atómicos). A temperaturas superiores se vence la fuerza nuclear fuerte y los protones y neutrones se dividen, formando esta sopa denominada plasma Gluón-Quark.

Pero por ahora aquí, nos vamos a quedar con los quarks al natural. Normalmente, los quarks no se encuentra en un estado separados, sino que en grupos de dos o tres. Asimismo, la duración de las vidas medias de las partículas, antes de decaer en otras, es muy variable (ver tablas).

Por otra parte, las partículas presentan una o más de las siguientes interacciones o fuerzas fundamentales entre ellas. Por un lado se tiene la gravitación y el electromagnetismo, conocidas de la vida cotidiana. Hay otras dos fuerzas, menos familiares, que son de tipo nuclear y se conocen como interacciones fuertes y débiles.

La gravitación afecta a todas las partículas, es una interacción universal. Todo cuerpo que tiene masa o energía está sometido a esta fuerza. Aunque es la más débil de las interacciones, como las masas son siempre positivas y su alcance es infinito, su efecto es acumulativo. Por ello, la gravitación es la fuerza más importante en cosmología.

                            Los campos magnéticos están presentes por todo el Universo

La fuerza electromagnética se manifiesta entre partículas con cargas eléctricas. A diferencia de las demás, puede ser de atracción (entre cargas de signos opuestos) o de repulsión (cargas iguales). Esta fuerza es responsable de la cohesión del átomo y las moléculas. Mantiene los objetos cotidianos como entidades con forma propia. Un vaso, una piedra, un auto, el cuerpo humano. Es mucho más fuerte que la gravitación y aunque es de alcance infinito, las cargas de distinto signo se compensan y sus efectos no operan a grandes distancias. Dependiendo de las circunstancias en que actúen, estas interacciones pueden manifestarse como fuerzas eléctricas o magnéticas solamente, o como una mezcla de ambos tipos.

La Fuerza Nuclear Débil: otra fuerza nuclear, considerada mucho más débil que la Fuerza Nuclear Fuerte. El fenómeno de decaimiento aleatorio de la población de las partículas subatómicas (la radioactividad) era difícil de explicar hasta que el concepto de esta fuerza nuclear adicional fue introducido.

La interacción nuclear débil es causa de la radioactividad natural y la desintegración del neutrón. Tiene un rol capital en las reacciones de fusión del hidrógeno y otros elementos en el centro de las estrellas y del Sol. La intensidad es débil comparada con las fuerzas eléctricas y las interacciones fuertes. Su alcance es muy pequeño, sólo del orden de 10^-15 cm.

La interacción fuerte es responsable de la cohesión de los núcleos atómicos. Tiene la intensidad más elevada de todas ellas, pero es también de corto alcance: del orden de 10^-13 cm. Es posible caracterizar las intensidades de las interacciones por un número de acoplamiento a, sin dimensión, lo que permite compararlas directamente:

Fuerte a_s = 15

Electromagnéticas a = 7,3 x 10^-3

Débil a_w 3,1 x 10^-12

Gravitacional a_G = 5,9 x 10^-39

Por otro lado, la mecánica cuántica considera que la interacción de dos partículas se realiza por el intercambio de otras llamadas «virtuales». Tienen ese nombre porque no son observables: existen por un tiempo brevísimo, tanto más corto cuanto mayor sea su masa, siempre que no se viole el principio de incertidumbre de Heisenberg de la teoría cuántica (que en este contexto dice que el producto de la incertidumbre de la energía por el tiempo de vida debe ser igual o mayor que una constante muy pequeña). Desaparecen antes de que haya tiempo para que su interacción con otras partículas delate su existencia.

                                   El fotón  virtual común se desplaza hacia la partícula menos energética.

Dos partículas interactúan al emitir una de ellas una partícula virtual que es absorbida por la otra. Su emisión y absorción cambia el estado de movimiento de las originales: están en interacción. Mientras menos masa tiene la partícula virtual, más lejos llega, mayor es el rango de la interacción. El alcance de la interacción es inversamente proporcional a la masa de la partícula portadora o intermedia. Por ejemplo, la partícula portadora de la fuerza electromagnética es el fotón, de masa nula y, por lo tanto, alcance infinito. La interacción gravitacional también tiene alcance infinito y debe corresponder a una partícula de masa nula: se le denomina gravitón. Naturalmente tiene que ser neutro. (Aún no ha sido vistos ni en pelea de perros).

Como ya hicimos mención de ello, a las fuerzas nucleares se les asocian también partículas portadoras. Para la interacción débil estas partículas se llaman bosones intermedios, expresados como W+, W- y Z0 (neutro). El W- es antipartícula del W+. Los W tienen masas elevadas comparadas con las otras partículas elementales. Lo de bosones les viene porque tienen spin entero, como el fotón y el gravitón, que también los son, pero que tienen masas nulas. Las fuerzas fuertes son mediadas por unas partículas conocidas como gluones, de los cuales habría ocho. Sin embargo, ellos no tienen masa, pero tienen algunas de las propiedades de los quarks, que les permiten interactuar entre ellos mismos. Hasta ahora no se han observado gluones propiamente tal, ya que lo que mencionamos en párrafos anteriores corresponde a un estado de la materia a la que llamamos plasma. Claro está, que es posible que un tiempo más se puedan detectar gluones libres cuando se logre aumentar, aún más, la temperatura, como está previsto hacerlo en el acelerador bautizado como “Relativistic Heavy Ion Collider”, empotrado en Estados Unidos de Norteamérica.

TABLA DE LAS PRINCIPALES PROPIEDADES DE LAS PARTÍCULAS PORTADORAS DE LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES

Una partícula y su antipartícula no pueden coexistir si están suficientemente cerca como para interactuar. Si ello ocurre, ellas se destruyen mutuamente: hay aniquilación de las partículas. El resultado es radiación electromagnética de alta energía, formada por fotones gamma. Así, si un electrón está cercano a un positrón se aniquilan en rayos gamma. Igual con un par protón-antiprotón muy próximos.

La reacción inversa también se presenta. Se llama «materialización o creación de partículas» de un par partícula-antipartícula a partir de fotones, pero se requieren condiciones físicas rigurosas. Es necesario que se creen pares partícula-antipartícula y que los fotones tengan una energía mayor que las masas en reposo de la partículas creadas. Por esta razón, se requieren fotones de muy alta energía, de acuerdo a la relación de Einstein E=mc2 . Para dar nacimiento a electrones/positrones es necesario un campo de radiación de temperaturas mayores a 7×10⁹ °K. Para hacer lo mismo con pares protón/antiprotón es necesario que ellas sean superiores a 2×10¹² °K. Temperaturas de este tipo se producen en los primeros instantes del universo.

Los rayos gamma están presentes en explosiones de supernovas, colisión de estrellas de neutrones… Todos los sucesos de altas energías los hace presente para que nuestros ingenios los detecten y podamos conocer lo que la materia esconde en lo más profundo de sus “entrañas”. Aún no hemos podido conocer en profundidad la materia ni sabemos, tampoco, lo que realmente es la luz.

emilio silvera

[?]

Imagen: Phys Org

El problema de si las constantes físicas son constantes se las trae. Aparte del trabalenguas terminológico arrastra tras de sí unas profundas consecuencias conceptuales. Lo primero, uno de los pilares fundamentales de la relatividad especial es el postulado de que las leyes de la física son las mismas con independencia del observador. Esto fue una generalización de lo que ya se sabía cuando se comenzó a estudiar el campo electromagnético, pero todo lo que sabemos en la actualidad nos lleva a concluir que este postulado es bastante razonable.

En alguna ocasión se explicó aquí el desdoblamiento de las líneas espectrales del hidrógeno, lo que se ha dado en llamar alfa (α). León Lederman (premio Nobel de Física), nos dice que se denota por esa letra griega y que al efectuar sus cálculos, Sommerfeld introdujo una “nueva abreviatura” de algunas constantes. Se trataba de 2πe² / hc, que abrevió con la letra griega “α” (alfa). Sigue  diciéndonos: “No prestéis atención a la ecuación. Lo interesante es esto: cuando se meten los números conocidos de la carga del electrón, e‾ la constante de Planck, h, y la velocidad de la luz, c, sale α = 1/137.  Otra vez 137 número puro.

Las constantes fundamentales (constantes universales) están referidas a los parámetros que no cambian a lo largo del universo. La carga de un electrón, la velocidad de la luz en el espacio vacío, la constante de Planck, la constante gravitacional, la constante eléctrica y magnética se piensa que son todos ejemplos de constantes fundamentales.

Las fuerzas de la naturaleza que gobiernan la electricidad, el magnetismo, la radiactividad y las reacciones nucleares están confinadas a un “mundobrana” tridimensional, mientras que la gravedad actúa en todas las dimensiones y es consecuentemente más débil.

Las fuerzas fundamentales

[?]

No podemos perder de vista la Física de metales a muy bajas temperaturas. A estas temperaturas, los “fenómenos cuánticos” dan lugar  a efectos muy sorprendentes, que se describen con teorías cuánticas de campos, exactamente iguales a las que se utilizan en la Física de Partículas elementales. La Física de Partículas elementales no tiene nada que ver con la Física de Bajas Temperaturas, pero las matemáticas son muy parecidas.

En algunos materiales, el “campo” que se hace importante a temperaturas muy bajas podría ser el que describe como los átomos oscilan alrededor de sus posiciones de equilibrio, o el que describe a los electrones en este tipo de material. A temperaturas muy bajas nos encontramos con los “cuantos” de esos campos. Por ejemplo, el “fonón” es el cuanto del sonido. Su comportamiento recuerda al fotón, el cuanto de la luz, salvo que los números son muy diferentes: los fonones se propagan con la velocidad del sonido, a cientos o quizá miles de metros por segundo, y los fotones lo hacen a la velocidad de la luz que es de 299.792.458 m por segundo, ¡un millón de veces más deprisa! Las partículas elementales en las que estamos interesados generalmente tienen velocidades cercanas a la luz.

Uno de los “fenómenos cuánticos” más espectaculares que tienen lugar en los materiales muy fríos es la llamada superconductividad, fenómeno consistente en el hecho de que la resistencia que presenta ese material al paso de la corriente eléctrica se hace cero. Una de las consecuencias de este estado es que el material no admite la más mínima diferencia de potencial eléctrico, porque ésta sería inmediatamente neutralizada por una corriente eléctrica “ideal”. El material tampoco admite la presencia de campos magnéticos porque, de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, la creación del campo magnético está asociada con una corriente eléctrica inducida, que al no encontrar resistencia neutralizaría completamente el campo magnético. Por tanto, en el interior de un superconductor no se puede crear ni un campo eléctrico ni magnético. Esta situación sólo cambia si las corrientes inducidas son muy elevadas, como ocurre cuando se somete el superconductor a los campos de imanes muy potentes y que perturban el material. No siendo capaz de resistir una fuerza tan brutal, pierde la superconductividad y se rinde permitiendo la existencia de un campo magnético en su interior.

[?]

Me gusta la teoría de la relatividad y la cuántica

Porque no las entiendo,

Porque hacen que tenga la sensación de que el espacio vaga

Como un cisne que no puede estarse quieto,

Que no quiere quedarse quieto ni que lo midan;

Porque me dan la sensación de que el átomo es una cosa impulsiva,

Que cambia siempre de idea.

D.H.Lawrence

[?]

Por ejemplo:

La quiralidad está a menudo asociada a la presencia de carbonos asimétricos. Un carbono asimétrico es aquel que se une a cuatro sustituyentes diferentes. Un ejemplo de carbono asimétrico lo tenemos en la molécula de Bromocloroyodometano. El carbono está unido a bromo, cloro, yodo e hidrógeno, cuatro sustituyentes diferentes que lo convierten en quiral o asimétrico. La molécula y su imagen en un espejo son diferentes, ningún giro permite superponerlas. La relación entre una molécula y su imagen especular no superponible es de enantiómeros.

En estos dibujos podemos ver la molécula de Bromocloroyodometano y su enantiómero reflejado en el espejo. No siempre la imagen del espejo refleja lo mismo que se ha puesto delante de él tratándo de reproducir lo mismo que el original muestra.

Si nos ponemos delante del espejo y hacemos como que apuntamos con una pistola que sostenemos con la mano derecha, a “nuestro yo” reflejado, veremos que, la imagen especular, como riéndose de nosotros, nos apunta con la izquierda. ¿Cómo ha podido suceder tal cosa? Resulta que la simetría especular se rompe en ciertos casos.

Nunca dejaremos de sorprendernos. Todo aquello que nos es desconocido causa en nosotros sos sentimientos: temor y asombro. El mundo cotidiano, el planeta en el que vivímos, nos muestra la Naturaleza tal como nosotros creemos que es y, a veces, nos hace exclamar:

 ¡Que mundo más hermoso, parece de verdad!

No todo lo que vemos es, necesariamente, un reflejo de la realidad de la Naturaleza que, puede tener escondidos más allá de nuestras percepciones, otros escenarios y otros objetos, a los que, por ahora, no hemos podido acceder, toda vez que, físicamente tenemos carencias, intelectualmente también, y, nuestros conocimientos avanzar despacio para conseguir nuevas máquinas y tecnologías más avanzadas que nos posibiliten “ver” lo que ahora nos está “prohibido” y, para ello, como nos dice la historia de la Humanidad, necesitamos energías de las que no disponemos.

Lo cierto es que todo está hecho de esas pequeñas partículas… Quarks y Leptones. Las estudiamos y observamos los comportamientos que en situaciones distintas puedan tener y, una de las cuestiones que resultó curioso constatar es que,   existen partículas subatómicas que podríamos llamar pares y otras que podríamos llamar impares, porque sus combinaciones y desintegraciones cumplen las mismas propiedades que la suma de enteros pares e impares. Una partícula de paridad par puede partirse en dos de paridad par, o en dos de paridad impar, pero nunca en una de paridad par y otra de paridad impar (esto implica la conservación de la paridad).

En 1927 el físico y matemático húngaro Eugene Wigner demostró que las partículas con paridad par poseían, en cierta forma, una simetría especular (izquierda derecha, como la letra M o el número 8). Una simetría que conserva ciertas propiedades mecanocuánticas de la partícula por cambio de signo de sus coordenadas espaciales. En 1963 le fue concedido el Premio Nobel “ por el descubrimiento y aplicación de los principios fundamentales de la simetría”. Mucho es lo que hemos hablado aquí de la simetría y lo importante que es en física.

La ley conocida como Interacción débil, no cumple con ciertas “leyes de la Física” tales como la conservación de la extrañeza y del isospín, aunque hay otras muchas leyes de conservación que sí respeta. Los físicos hablan muy a menudo de la conservación de la simetría. Una simetría muy importante, aunque simple, es la “simetría especular” oficialmente llamada “paridad”.

No, esta no es, la imagen especular de un neutrino, de hecho, ellos no tienen imagen especular.

La simetría especular se ha comprobado una y mil veces en el laboratorio. El nombre científico de la simetría especular es “Conservación de la Paridad”. Así las cosas, la historia que sigue nos habla de un descubrimiento importante, y también de cómo, el progreso a veces, trae consigo la muerte de una bella y exquisita teoría que ha sido destruída por la realidad, no siempre tan bonita.

Lo cierto es que, los profundos y fatigosos estudios que llevaron a cabo los físicos, dieron como resultado que una concepción muy profunda de la manera en que se comporta la Naturaleza está (débilmente) equivocada y, se pudo “ver” que, nuestro conocimiento de cómo está construído el Universo tenía que cambiar para siempre. Es cierto que, rfutar una teoría elegante nos puede llevar al desánimo y, nos puede llevar a pensar que la Naturaleza es más torpe de lo que habíamos imaginado. Pero lo cierto es que, en unos pocos días de trabajo en el mes de enero de 1957, en Irvingtong-on-Hudson, 33 kilómetros al norte de Nueva York, pa paridad cayó.

Antes de 1956, siempre se había supuesto que cualquier fenómeno  respetaba las mismas leyes físicas que su imagen especular. En consecuencia uno podría esperar que las partículas o haces de partículas chocan entre ellas de una forma que sea especularmente simétrica, la simetría especular se preservaría.

Los físicos aman la simetría por su belleza matemática e intuitiva. Tenemos múltiples ejemplos de simetría en el arte, tales como el Taj Majal o un templo griego: en la Naturaleza exhiben patrones  simétricos de gran belleza las conchas, los animales simples y los cristales de distintos tipos, y también la simetría bilateral casi perfecta del cuerpo humano. Las leyes de la Naturaleza contienen un rico conjunto de simetrías de las que, durante muchos años, al menos hasta enero de 1957, se pensço que eran absolutas y perfectas. Han sido inmensamente útiles para nuestros conocimientos de los cristales, las moléculas grandes, los átomos y las partículas.

A una de esas simetrías se le lamaba simetría especular, o conservación de la paridad, y afirmaba que la Naturaleza -las leyes de la física- no puede distinguir los suecesos del mundo real de los que se ven en el espejo. Durante mucho tiempo, los físicos han sabido que toda reacción entre partículas elementales obedece a una simetría que llamamos CPT. Esto significa que si miramos la partícula de una reacción, y luego vemos la misma reacción cuando (1) la miramos en un espejo, (2) sustituimos todas las partículas por antipartículas y (3) hacemos pasar la partícula hacia atrás, los resultados serán idénticos. En este esquema la P significa paridad (el espejo), la C significa conjugación de carga (poner las antipartículas) y T la reserva del Tiempo (pasar la partícula al revés).

Un alto en el camino para una explicación: Dado que la antimateria tiene la misma masa que la materia, es decir son de la misma magnitud y signo (la definición de masa es positiva siempre), el efecto gravitacional de la antimateria no debe ser distinto de la materia, es decir, siempre sera un efecto atractivo. Pero, ¿acaso no importa la equivalencia establecida de antipartícula viajando al futuro = partícula viajando al pasado?

La respuesta es sí. Dicha equivalencia proviene (precisamente) de la simetría CPT, y nos dice que la equivalencia entre las partículas y antipartículas no solo corresponde a realizar una transformación sobre la carga, sino también sobre la paridad y el tiempo. La carga no afecta la gravedad, pero la paridad y el tiempo si la afectan. En otras palabras, al modificarse el tiempo (poner el tiempo al reves) y el espacio (la paridad es “girar” el espacio), estamos alterando el espacio-tiempo, y como la teoría general de la relatividad lo afirma, es la geometría de este el que determina la gravedad. Pero, a la larga, la geometría vendrá dada por la cantidad de materia que el universo pueda contener.

Se pensaba que el mundo era simétrico respecto a CPT porque, al menos al nivel de las partículas elementales, era simétrico respecto a C, P y T independientemente. Ha resultado que no es este el caso. El mundo visto en un espejo se desvía un tanto del mundo visto directamente, y lo mismo sucede con el mundo visto cuando la partícula pasa al revés. Lo que sucede es que las desviaciones entre el mundo real y el universo en cada uno de esos casos se cancelan una a la otra cuando miramos las tres inversiones combinadas.

También hay simetría en las ondas gravitatorias

Siguiendo con el tema que nos ocupa, lo cierto es que, es verdad que el mundo es casi simétrico respecto a CP actuando solos y a T actuando solo; es decir, que el mundo es casi el mismo si lo miran en un espejo y sustituyen las partículas por antipartículas que si lo miran directamente. Este “casi” es lo que preocupa a los físicos. ¿Por qué son las cosas casi perfectas, pero les falta algo?

Los neutrinos siempre nos han dado dolor de cabeza. Su ponemos nuestras manos delante un espejo, ahí las veremos reflejadas. Si de la misma manera, pudiéramos poner dos neutrinos delante del espejo de al lado, eso veríamos: NADA. El descubrimiento de que muchas partículas no se parecían en nada a sus respectivas imágenes especulares fue realizado por dos físicos chinos, Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang, algún tiempo después de haber emigrado a los EE UU. Resultó que la Interacción débil distinguía entre derecha e izquierda. Esto es más claro en el caso del neutrino.

Los neutrinos v_e y v_µ como el fotón, no tienen masa en reposo y, por lo tanto, se mueven siempre a la velocidad de la luz. Los neutrinos también rotan con un espín ½. Si definimos el “polo norte” y el “polo sur” igual que se definen en la Tierra. Los neutrinos son especiales porque siempre tienen el polo sur enfrente de ellos y el polo norte detrás. Nunca se han observados neutrinos para los cuales esto no sea así.

La física sueca Cecilia Jarlskog comparó a los neutrinos con los vampiros porque no tienen imagen especular. Su imagen especular es un imposible físico. Ciertamente, cuando nos adentramos en los secretos de la mecánica cuántica, podemos constatar que, nuestro mundo, no es tal como lo vemos y, la realidad de la Naturaleza a veces, difiere de la nuestra.

 Recordémos la dualidad onda-partícula, en el que se aprecia cómo un mismo fenómeno puede ser percibido de dos modos distintos, fue uno de los problemas filosóficos que planteó la mecánica cuántica. Tratándo sobre mecánica cuántica podríamos hablar de la filosofía de la física pero, nunca de la Física como filosofía.

A todo esto, tendremos que convenir en que, nosotros, no somos capaces de deducir las propiedades de un escarabajo utilizando el modelo estándar y esto nunca va a cambiar. Imaginemos un examen de la siguiente cuestión:

Calcula el número de segmentos del Aselluz aquaticus a partir del modelo estándar. Se puede utilizar la lista adjunta para la masa de Higgs y los parámetros que violan la CP…

Nunca se podrá resolver tal tipo de problemas, ni es la intención de los Físicos Teóricos sugerir que ellos pueden hacer la labor de los Biólogos o la de los miembros de cualquier otra disciplina que no sea la Física. Lo que afirman es que las fuerzas de la Naturaleza responsables del número de segmentos de esas criaturas son conocidas, pero que el efecto es incalculable. A duras penas somos capaces de calcular los efectos de las fuerzas fundamentales en un simple hadrón tal como el protón (¡los resultados están a menudo desviados más de un cincuenta por ciento!), así que imagínese cuan imposible se hace la complejidad de un sistema formado por los 10²² átomos con la forma de un escarabajo.

¡Qué extraño es todo esto!

¡Y pensar que todas las respuestas están en la verdadera naturaleza de la luz! Ese último estado de la materia que es pura energía. Y, ya puestos a imaginar,  también podríamos pendsar que las cuerdas, esas briznaz vibrantes de infinitesimal tamaño que se cree están más allá de los Quarks, también ellas, en esencia, son luz. Si una cuerda es billones de veces más pequeña que un átomo. Si agrandáramos un átomo al tamaño de nuestro sistema solar, una cuerda sería como un árbol. ¡Qué fantástica idea!

Once dimensiones, universos paralelos, y un mundo hecho de cuerdas o filamentos vibrantes que vendrían a ser los objetos más pequeños del Universo. Claro que, no sabemos de qué estará formada la tan cacareada “materia oscura” ( si es que finalmente existe). Lo cierto es que, la Naturaleza, además de que es bella, es también !asombrosa! ¿Estábamos hablando de simetría?

La Simetría de la Naturaleza nos rodea por todas partes y, a nuestro alrededor, mirémos donde podamos mirar, allí está presente y, sin embargo, de ninguna manera son manifiestas todas las simitrías de la Naturaleza. Vivímos en un mundo imperfecto, en el que muchas de las simetrías que aparecen en las ecuciones de la física están rotas.

Como más arriba se dice, antes de enero de 1957 no se había visto niguna violación así en el mundo de la imagenen el espejo. El mundo y su imagen especular eran descripciones igualmente válidas de la naturaleza. Todo lo que pasase en el espacio especular podía, en principio y en la práctica, reproducirse en el laboratorio. La paridad era útil. Nos ayudaba a clasificar los estados moleculares, atómicos y nucleares. Además, ahorra trabajo. Por ejemplo, si un ser humano perfecto y desnudo está a medias oculto por una pantalla vertical, con estudiar la mitad que se ve se sabe en muy buena medida qué hay detrás de la pantalla. ¡Esas es la poesía de la paridad!

“El primer físico que recogió el guante fue la Dra. Chien-Shiug Wu, profesora de física de la Universidad de Columbia, amiga de Yang y Lee, famosa por sus trabajos sobre las interacciones débiles y por el cuidado y la elegancia con que realizaba sus experimentos. El experimento planeado por la Dra. Wu implicaba la desintegración beta del cobalto 60, un isótopo del cobalto muy radioactivo que emite electrones. Cuando se enfría el cobalto 60 cerca del cero absoluto y se aplica un campo magnético que alinee estos átomos se espera que se emitan tantos electrones en la dirección norte del campo magnético como en la dirección sur. Si se conserva la paridad.” Pero la paridad no se conserva y la Dra. Wu observó más electrones emitidos en la dirección sur que en la dirección norte. “El experimento se realizó a finales de 1956, pero no se anunció el resultado hasta el 15 de enero de 1957, de manos del físico Isador Rabi de la Universidad de Columbia, quien además incluyó resultados de otro experimento confirmatorio realizado con mesones mu por físicos de Columbia en los laboratorios del ciclotrón Nevis (Nueva York). Una tercera prueba fue realizada en la Universidad de Chicago usando mesones pi y mu. En todo el mundo los físicos empezaron a comprobar la paridad en otras interacciones débiles y en 1958 era evidente que la paridad era infringida en todas esas interacciones. El enigma “theta-tau” estaba resuelto. Solo hay un mesón K o kaón. La paridad no se conserva.”

De todos es bien conocido los trabajos de T.D. Yang que, en colobaración con Tsung Dao Lee, identificó una discreta simetría en la fuerza débil, llamada violación de la paridad. En 1956, ambos predijeron sobre bases teóricas, que el espín de las partículas provenientes de la desintegración Beta mostrarían una ligera preferencia por una dirección sobre la otra. Experimentos realizados, así lo confirmaron y les valió el Premio Nobel a Lee y Yang (aunque no a la doctara Wu por razones desconocidas). Aquello sirvió para atraer la atención sobre el hecho de que la Naturaleza, sea simétrica en algunos aspectos y asimétrica en otros.

 

    Interacción débil o fuerza nuclear débil

La interacción débil, también conocida como interacción nuclear débil, se acopla a un tipo de carga llamada sabor, que la poseen los quarks y los leptones. Esta interacción es la causante de los cambios de sabor en estas partículas, en otras palabras es la responsable que de quarks y leptones decaigan en partículas más livianas, además es la que produce desintegraciones beta. La teoría de Glashow-Weinberg-Salam estudia la interacción débil y la electrodinámica cuántica de manera unificada en lo que se llama Modelo electro débil.

Pero sigamos con la Doctara Wu. Cuando los fdísicos Lee y Yang pusieron entredicho la validez de la conservación de la paridad en ekl verano de 1956, Wu se puso manos a la obra de inmediato. Seleccionó como objeto de su estudio el núcleo radiactivo del inestable cobalto 60,que se convierte expontáneamente en un núcvleo de níquel, un neutrino y un electrón positivo (un positrón). Lo que uno “ve” es que el núcleo de Cobalto dispara súbitamente un electrón positivo. Esta forma de radiacitvidad recibe el nombre de desintegración beta, porque a los electrones, negativos o positivos, emitidos durante el proceso se los llama originalmente partículas beta. ¿Por qué pasa esto? Los físicos  lo llaman interacción débil y se refieren con ello a una fuerza que opera en la Naturaleza y genera esas reacciones.

Las fuerzas no solo empujan y tiran, atraen y repelen, sino que son también capaces de generar cambios de especie, como el proceso en el que el Cobalto se convierte en níquel y emite leptones. desde los años treinta se han atribuido un gran número de reacciones a la interacción débil. Fermi, aquel físico italiano fue el primero que dio forma matemática a la interacción débil, y gracias a ello predijo muchos detalles de reacciones del estilo de la que sufre el Cobalto 60.

       Tsung-Dao (T.D.) Lee                           Chen-Ning Franklin Yang

Así Lee y Yang, se remangaron y se pudieron al trabajo con esos tipos de reacciones como inspiración con las que podrían poner a prueba la simetría especular. De los resultados, escribieron un artículo meticulosamente detallado en relación a las reacciones probables, para que así, los estólidos experimentalistas pudieran poner a prueba la valides de la simetría especular. Wu ideó una versión de una de ellas, basada en la reacción del Cobalto. La clave de su plantamiento era que los núcleos de Cobalto -o por lo menos una fracción muy pequeña de ellos- girasen en el mismo sentido, lo cual, según ella, se garantizaba si se ponía la fuente de cobalto 60 a una temperatura muy baja.

Ambos comentaban más tarde: “Cuesta expresar hasta que punto conmocionaron los resultados obtenidos en estos experimentos a la comunidad científica. Habíamos puesto en entredicho una creencia muy querida -en realidad, la habíamos destruído-: que la Naturaleza exhibe una simetría especular.

A partir de aquello, en los años siguientes, se refutaron también otras simetrias. Aún así, el experimento alteró a muchos teóricos, entre ellos a Wolfgang Pauli, quien hizo famosa la afirmación; “No puedo creer que Dios sea un débil zurdo”. No quería decir que “Dios” tenía que ser diestro sino que, tenía que ser ambidiestro.

La reunión anual de la Sociedad Física Norteamericana atrajo a 2.000 físicos a la sala de baile del Hotel Paramount de Nueva York el 6 de febrero de 1957. Dicen que había gente colgadas hasta de las lámparas. El resultado de la ruptura de la simetria C.P., fue difundido por las partadas de los mejores periódicos de todo el mundo. El New York Times publicó el comunicado de prensa literalmente, con ilustraciones de partículas y espejos. Pero nada de todo eso podía compararse al sentimiento de euforiacuasi-mística que a las tres de la madrugada sintieron dos físicos en el momento en que descubrieron una nueva y profundad verdad.

Como decía Feynman: “El Placer de Descubrir”

emilio silvera

[?]