|
|
|
Makoto Kobayashi
|
Toshihide Maskawa
|
Yoichiro Nambu |
Makoto Kobayashi (1944). Japón
Toshihide Maskawa (1940). Japón
"Por el descubrimiento del origen de la ruptura
de la simetría que predice la existencia de, al menos, tres
familias de quarks en la naturaleza"
Yoichiro Nambu (1921. USA
"Por el descubrimiento del mecanismo de ruptura
espontánea de la simetría en física subatómica" |
|
¿Por qué hay algo
en vez de nada? ¿Por qué hay tantas partículas elementales
diferentes? Los laureados con el Premio Nobel de Física
de este año han presentado ideas teóricas que nos
suministran una comprensión más profunda de lo que sucede
en el interior de los bloques más pequeños que forman la
materia. |
|
La naturaleza de
las leyes de simetría se encuentran en el corazón de este
asunto. O más bien, la ruptura de las simetrías, tanto las
que parecen haber existido en nuestro universo desde el
principio como aquellas que han perdido su simetría
original en alguna parte del camino.
De hecho, todos
somos hijos de la simetría rota. Ello debió ocurrir
inmediatamente después del Big Bang, hace unos 14.000
millones de años cuando fueron creadas la materia y la
antimateria. El contacto de materia y antimateria es fatal
para ambas, se aniquilan mutuamente y se transforman en
radiación. Es evidente que la materia, al final, ganó la
partida a la antimateria, de otra manera nosotros no
estaríamos aquí. Pero estamos, y una pequeña desviación de
la simetría perfecta parece que ha sido suficiente –un
exceso de una partícula de materia por cada diez mil
millones de partículas de antimateria fueron suficientes
para hacer que nuestro mundo exista-. Este exceso de la
materia fue la semilla de nuestro universo, lleno de
galaxias, estrellas y planetas y, eventualmente, de vida.
Pero lo que hay detrás de esta violación de la simetría en
el cosmos es aún un gran misterio y un activo campo de
investigación. |
|
 |
La teoría de las
partículas elementales considera tres formas básicas de
simetría: simetría especular, simetría de carga y simetría
temporal (en el lenguaje de la física la simetría
especular es denominada P, de paridad; la simetría de
carga, C y la simetría temporal,T).
En la simetría
especular todos los sucesos ocurren exactamente igual si
son observados directamente o reflejados en un espejo.
Ello implica que no existe ninguna diferencia entre
izquierda y derecha y nadie sería capaz de distinguir su
propio mundo de otro reflejado en un espejo. La simetría
de carga predice que las partículas cargadas se
comportarán exactamente igual que sus antipartículas, las
cuales tiene exactamente las mismas propiedades pero carga
opuesta. Y de acuerdo con la simetría temporal, las cosas
sucederían exactamente igual con independencia de que el
tiempo transcurra hacia delante o hacia atrás. |
|
El
Modelo Estandar para las partículas elementales de la
materia predice tres familias (ver diagrama).
Estas familias se parecen bastante, pero solamente las
partículas de la primera familia (las más ligeras) son
lo suficientemente estables para construir el cosmos.
Las partículas de las otras familias (más pesadas) son
muy inestables y se desintegran rápidamente dando
energía y otras partículas.
El Modelo
Estandar es una síntesis de todas las ideas que la
física de partículas ha generado durante el siglo
pasado. Se asienta sobre la base teórica de los
principios de simetría de la física cuántica y la
teoría de la relatividad y ha resistido a innumerables
pruebas. No obstante, varias crisis se sucedieron
poniendo en peligro el bien construido edificio del
modelo. Estas crisis tuvieron lugar porque los físicos
asumían que las leyes de la simetría eran aplicables
al micromundo de las partículas elementales. Pero esto
no era totalmente cierto. |
 |
|
La primera
sorpresa surgió en 1956 cuando dos físicos teóricos
chino-americanos, Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang
(galardonados con el Premio Nobel al año siguiente, en
1967) comprobaron que la simetría especular (simetría
P) era violada por la fuerza débil.
Una nueva
violación de las leyes de la simetría tenía lugar en
la desintegración de una extraña partícula llamada
kaón (Premio Nobel concedido a James Cronin y Val
Fitch en 1980). Una pequeña fracción de los kaones no
seguían las leyes de la simetría especular y de carga;
se rompía la simetría CP y se desafiaba la estructura
misma de la teoría.
La cuestión
de por qué se rompe la simetría seguía siendo un
misterio hasta 1972, cuando dos jóvenes investigadores
de la Universidad de Kyoto: Makoto Kobayashi y
Toshihide Maskawa, bien familiarizados con los
cálculos de la física cuántica, encontraron la
solución en forma de matriz 3x3.
¿Cómo tiene
lugar esta doble ruptura de la simetría? Cada kaón
consiste en una combinación de quark y antiquark. La
fuerza débil hace que ambos intercambien sus
identidades continuamente: el quark se transforma en
antiquark, mientras que el antiquark se transforma en
quark , esto transforma un kaón en un antikaón. De
esta manera el kaón “oscila” entre una partícula y una
antipartícula. Pero si las condiciones son las
adecuadas la simetría entre materia y antimateria se
puede romper. La matriz obtenida por Kobayashi y
Maskawa describe como se produce la transformación de
los quarks. |
|
|
Como ya se ha
explicado el Modelo Estándar comprende todas las
partículas elementales conocidas y tres de las cuatro
fuerzas fundamentales. Pero, ¿por qué son estas fuerzas
tan diferentes?. ¿Y por qué las partículas tienen masas
tan diferentes?. La más pesada, el quark top, es más de
tres mil cien veces más pesado que el electrón. ¿Por qué
tienen todas masa? La fuerza débil destaca en este
aspecto una vez más: sus portadores, las partículas Z y W
son muy pesadas, mientras que el fotón, que transmite la
fuerza electromagnética, carece de masa.
La mayoría de
los físicos piensa que el llamado mecanismo de Higgs es el
responsable de que la simetría original entre fuerzas
fuera destruido dando a las partículas sus masas en las
primeras etapas del universo.
|
El camino
hacia ese descubrimiento fue trazado por Yoichiro
Nambu quien, en 1960, fue el primero en introducir
la violación espontánea de la simetría en la física de
partículas. Es por este descubrimiento por el que se
le concede el Premio Nobel de Física.
Tenemos
algunos ejemplos banales de violación espontánea de la
simetría en la vida diaria. Un lápiz en equilibrio
sobre su punta lleva una existencia totalmente
simétrica en la cual todas las direcciones son
equivalentes. Pero esta simetría se pierde cuando cae
-ahora sólo una dirección cuenta-. Por otro lado su
condición es ahora más estable, el lápiz no puede
volver a caer, ha llegado a su nivel más bajo de
energía. |
 |
El vacío tiene
el nivel de energía más bajo posible en el cosmos. En
efecto, un vacío en física es precisamente un estado con
la menor energía posible. Sin embargo, no está totalmente
vacío. Desde la llegada de la física cuántica, el vacío
está lleno de una burbujeante sopa de partículas que
aparecen e inmediatamente desaparecen en invisibles y
ubicuos campos cuánticos. Estamos rodeados por campos
cuánticos que se extienden por el espacio; las cuatro
fuerzas fundamentales de la naturaleza también son
descritas como campos. Uno de ellos, el gravitacional, es
conocido por todos nosotros. Es el que nos mantiene
pegados a la tierra y determina la dirección arriba-abajo.
Nambu indicó que
las propiedades del vacío son de gran interés para el
estudio de la rotura espontánea de la simetría. Un vacío,
que es el estado más bajo de energía, no se corresponde
con el estado de mayor simetría. Tan pronto como el lápiz
se cae, la simetría del campo cuántico queda rota y sólo
una de las muchas direcciones posibles es elegida. En las
últimas décadas los métodos de Nambus para tratar la
violación de la simetría espontánea en el Modelo Estandar
han sido refinados y son frecuentemente usados hoy para
calcular los efectos de la fuerza fuerte. |
|
|
