SIMETRÍA

Esta, junto a la belleza, son dos características muy importantes en cualquier teoría científica y en toda ecuación matemática que traten de dar una explicación de la naturaleza: los principios de conservación (de la energía, del momento…) son el resultado de lo primero; y quizás, las ecuaciones de Maxwell son el reflejo de lo segundo.

No hemos de ver estas por separadas, sino que la simetría de las ecuaciones matemáticas es una consecuencia directa de la simetría existente en la naturaleza.

Los científicos han intentado dar explicación a las 4 interacciones que existe en la naturaleza (gravitatoria, electromagnetismo, nuclear fuerte y débil) mediante la utilización de un único tipo de simetría, y así intentar unificar estas en una única SUPERFUERZA. Esta es la simetría de gauge (Yang-Mills), que permite la RENORMALIZACIÓN de las ecuaciones, es decir, eliminar los infinitos que aparecen en estas: si nos encontramos con una simetría oculta, o bien esta ha quedado rota (simetría rota), se pueden crear distintos campos (de fuerzas) de gauge (también llamados campos de medidas o estimación) que la devuelvan.

Veamos las aplicaciones de la simetría de gauge a las fuerzas nucleares:

INTERACCIÓN DÉBIL

Son Weinberg y Salam quienes utilizan los campos de gauge en la interacción débil. Esta se basa en 2 características principales:

1) Cambio de sabor.

Los campos de gauge deben permitir que unas partículas se transformen en otras. La teoría predice que son 3 los tipos de campos que permitirían los cambios de sabor en los quarks.

Este es un gran cambio respecto al electromagnetismo, pues este se describe mediante 1 único campo, siendo el fotón la partícula transmisora de esta fuerza, independientemente de sí las cargas son del mismo signo (++ ó --) o son de distinto signo (+-). Es decir, 2 cargas eléctricas pueden dar lugar a fuerzas repulsivas o atractivas, pero utilizan el mismo mensajero: el fotón.

En la interacción débil nos encontramos con 6 cargas de sabor, siendo 3 los campos que describen en conjunto esta fuerza. Esto significa, también, que son 3 las partículas que median en esta interacción: W^-, W⁺ y Z⁰.

2) Simetría rota.

Se podría pensar que una vez fueron descubiertos los bosones vectoriales intermedios W^-, W⁺ y Z⁰ se dispone de todos los medios necesarios para describir la interacción débil. Sin embargo, existe una evidente asimetría en esta respecto a las otras 3 fuerzas de la naturaleza: mientras que el gravitón (en la gravitatoria), el fotón (electromagnetismo) y los gluones (interacción fuerte) no poseen masa, las partículas W^-, W⁺ y Z⁰ poseen una gran masa.

La consecuencia inmediata de esto es que la interacción débil es de corto alcance. Por el contrario, la simetría de gauge es de largo alcance. Nos encontramos, pues, ante un caso de simetría rota. Esta ruptura requiere el acoplamiento de los bosones W^-, W⁺ y Z⁰ con una nueva partícula: el bosón de Higgs rompe la simetría en la interacción débil, pues se acopla con las partículas W^-, W⁺ y Z⁰ y estas obtienen una gran masa (90 veces la masa del protón).

Finalmente, estos 2 científicos pudieron unificar esta interacción con el electromagnetismo, ya que microscópicamente ambas fuerzas pueden describirse mediante campos de gauge, siendo la ruptura de simetría la causante de sus diferencias macroscópicas. De esta forma surge una nueva teoría científica, la llamada electrodinámica cuántica (EDC).

INTERACCIÓN FUERTE

El estudio de esta lo realiza la cromodinámica cuántica (CDC).

La simetría de gauge que da respuesta a esta se basa en las características:

1) Carga de color nula.

La carga que provoca este tipo de fuerza recibe el nombre de COLOR (nombre arbitrario, y por supuesto nada tiene que ver con el color de siempre). En realidad no se trata de una, sino de 3 cargas, que se nombran como rojo, azul y verde (por analogía al color de siempre).

Cada quarks posee una carga de color, pero la simetría de gauge requiere la conservación del color de forma que cada hadrón se mantenga incoloro: los hadrones poseen una carga de color nula, son incoloros; sin embargo, cada quarks que lo forma puede cambiar de color mediante la interacción fuerte, pero siempre de forma que el conjunto de cambios (en los 2 quarks de los mesones o en los 3 de los bariones) dé lugar a nuevo hadrón incoloro.

Esta simetría se consigue a través de 8 campos de color, por lo que se necesitan 8 gluones diferentes para describir la interacción fuerte.

2) La interacción fuerte crece con la distancia.

Para explicar este hecho debemos recurrir a la mecánica cuántica: cualquier partícula colocada en el vacío está sometida a la acción de sus antipartículas virtuales, y estas últimas a la de sus partículas virtuales; y así sucesivamente.

Este efecto es contrario en el electromagnetismo y en la interacción fuerte, por ejemplo:

Electromagnetismo. El valor del campo eléctrico creado por un electrón en el vacío es mayor al que medimos con los aparatos de medidas, debido a la envoltura que le rodea formada por los positrones virtuales (a estos positrones les rodean a su vez otros electrones virtuales).

Debido a que el fotón no posee carga eléctrica, no interviene en este proceso.

Interacción fuerte. Como ocurría en el caso anterior, el campo de color creado por un quarks en el vacío disminuye por la acción de los antiquarks virtuales que le rodea (y estos se ven rodeados a su vez por quarks virtuales), pero aquí también tenemos que tener en cuenta el campo de color creado por los gluones virtuales. Es decir, también los gluones crean su propio campo de color.

La simetría de gauge asociada a la interacción fuerte indica que la acción debida a los gluones virtuales sobre un quarks en el vacío es mayor que la dada por la acción de los antiquarks-quarks virtuales. Además, indica que refuerza el campo de color creado por él, es decir, aumenta la carga de color propia. Esta es la causa por la que la interacción fuerte crece con la distancia: a medida que se separan 2 quarks reales, crece la fuerza nuclear fuerte, siendo imposible su separación.

BIBLIOGRAFÍA:

Superfuerza (biblioteca científica salvat): por Paul Davies.

De los átomos a los quarks (biblioteca científica salvat): por James S. Trefil.