Simetrías y fuerzas fundamentales

Durante medio siglo, los físicos han estado tratando de construir una teoría que una las 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza: fuerza gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. Hasta ahora estos intentos no habían encontrado confirmación experimental. Así que el modelo más completo hasta la actualidad para describir el mundo cuántico es el Modelo Estándar. Aun así, podemos atribuir a cada fuerza fundamental un tipo de simetría.

Modelo Estándar

Este modelo describe el universo usando 6 quarks, 6 leptones y algunas partículas “portadoras de fuerzas”.

Fig. 1: cuadro que describe el Modelo Estándar

Cuando hablamos de partículas “portadoras de fuerzas” son referimos a las cuatro partículas fundamentales que miden las 4 fuerzas: gravitones (interacción gravitatoria), fotones (interacción electromagnética), los glucones (interacción fuerte) que no tienen masa y las partículas W± y Zº  (fuerza débil) que sí tienen masa.

En este modelo, la gravedad solamente está incluida como hipótesis especulativa, ya que los gravitones no se han observado. Las fuerzas electromagnéticas y gravitacionales tienen alcance infinito, mientras que la fuerza débil y fuerte son de corto alcance.

Las partículas sobre las que actúa la fuerza nuclear se llaman hadrones, y se forman por unión de partículas muy elementales, los quarks. Las otras partículas, los leptones, se consideran en sí partículas elementales sin estructura. Para hacernos una idea de la escala:

Fig. 2: el átomo y sus partes

Todas las partículas elementales tienen una propiedad cuántica relacionada con la rotación, el espín. Para entendernos, el espín nos describiría cómo rota una partícula en torno a su propio eje. Este se puede expresar en números enteros o racionales. Pues bien, los fermiones son aquellas partículas elementales cuyo espín se expresa en múltiplos impares de la fracción 1/2, e incluye a los electrones, entre otros. Los bosones, a su vez, son partículas con valores de espín entero. Incluyen las partículas responsables de las fuerzas como los fotones.

Si queréis saber un poco más sobre el átomo, leed nuestra serie de artículos sobre física nuclear: Entendiendo la física nuclear (I) , (II) y (III).

Simetrías y fuerzas fundamentales

En el mundo de la física, las simetrías no se entienden de la misma manera que en el sentido coloquial de la palabra. Por ejemplo, si dejamos caer una pelota desde una cierta altura, siempre caerá igual independientemente de si la tiramos ahora  o dos minutos después, o en Alicante o en Madrid. Esta es una manifestación de cierta simetría: las leyes de la física se mantienen sin cambios con respecto a los cambios temporales y espaciales, es decir, son simétricas respecto a las operaciones temporales y espaciales.

Las simetrías desempeñan un gran papel en la física porque están relacionadas con los principios de conservación (ver nuestro anterior artículo Simetrías y  leyes de conservación). Por ejemplo,  la simetría espacial se relaciona con el principio de conservación de la energía. Y la espacial, con el principio de conservación del momento. Otro ejemplo sería la simetría rotacional, que se relaciona con el principio de la conservación del momento angular.

Pues bien, en la decáda de 1970, comenzó el desarrollo de una teoría supersimétrica para describir las simetrías entre fermiones y bosones.  Las primeras teorías supersimétricas intentaron combinar las fuerzas de las partículas elementales. Asociaron la fuerza electromagnética con una simetría conociada como U(1), la fuerza débil con la SU(2) y la fuerte con la SU(3), pero no se había asociado ninguna a la gravedad.

Estas tres simetrías son globales, es decir, se comportan igual en cada punto del espacio. Después, se plantearon teorías donde la simetría era local, se manifiesta diferente en cada punto del espacio, y incluye a la gravitación, las llamadas teorías de supergravedad. Una de estas teorías, llamada supergravedad N = 8, era la que se incorporó en el modelo estándar. Pero tenía problemas, ya que las cargas eléctricas de los quarks y leptones (fermiones),  se veían desplazadas en 1/6 con respecto a las observadas en la naturaleza.

Este problema, observado por primera vez hace más de 30 años, no se resolvió hasta 2015, cuando los profesores Krzysztof Meissner del Instituto de Física Teórica de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia y el Prof. Hermann Nicolai del Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik en Potsdam presentaron el mecanismo respectivo para modificar la simetría U (1). Recientemente un artículo en Physical Review Letters, el profesor Meissner y Nicolai han presentado un nuevo esquema que generaliza este método. Incorpora la gravitación en el descripción y aplica un tipo de simetría que no se usaba anteriormente en la descripción de las partículas elementales.

Tanto el mecanismo usado para corregir el valor de las cargas eléctricas de las partículas como la mejora que incorpora la simetría de fuerza débil ( SU(2) ) demostraron pertenecer a un grupo de simetría conocido como E10. A diferencia de los grupos de simetría utilizados anteriormente en las teorías de unificación, es un grupo infinito, que además es muy poco estudiado incluso en el sentido puramente matemático. El profesor Nicolai, junto con Thibault Damour y Marc Henneaux, había trabajado en este grupo antes. Pare ser, que éste, aparecía como una simetría en la supergravedad N = 8 en condiciones similares a las de los primeros momentos después del Big Bang, cuando solo una dimensión era significativa: el tiempo.

Esto implica, que por primera vez, tenemos un esquema que anticipa con precisión la composición de los fermiones en el Modelo Estándar y lo hace con las cargas eléctricas adecuadas. Al mismo tiempo, incluye la gravedad en la descripción. De modo que si el trabajo adicional confirma el papel de este grupo, eso significará un cambio radical en nuestro conocimiento de las simetrías de la naturaleza.

Para saber más:

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