Sobre las Simetrías

El Modelo Estándar describe las fuerzas electromagnéticas y las fuerzas nucleares fuerte y débil, pero deja fuera una cuarta fuerza, la gravitación. Esta omisión no es un simple descuido: existen obstáculos matemáticos formidables para describir la gravitación con el mismo lenguaje que se utiliza para las demás fuerzas, el lenguaje de la Teoría Cuántica de Campos.

El Modelo Estándar trata las fuerzas electromagnéticas y nuclear débil de forma unificada, aunque existen diferencias obvias entre estas dos fuerzas. No se conocen aún los orígenes de estas diferencias, pero este Modelo supone una enorme mejora respecto a la mezcla de simetrías aproximadas e hipótesis dinámicas formuladas, aunque, evidentemente, no es la Respuesta Final. Todos estos problemas del Modelo Estándar tienen que ver, de una u otra forma, con un fenómeno conocido como Ruptura Espontánea de Simetría. La Teoría Electrodébil es un principio de simetría exacta. El intercambio de fotones es responsible de la fuerza electromagnética, mientras que el intercambio de bosones W y Z da lugar a la fuerza nuclear débil. El hecho de que esta simetría no se manifiesta en la naturaleza, ha sido la razón de que tardase tanto tiempo en ser descubierta.

Una ruptura espontánea de simetría se produce cuando nada rompe la simetría en las ecuaciones de la Teoría, sino que la ruptura aparece espontáneamente en las diversas soluciones de sus ecuaciones. Ninguna de las fuerzas conocidas del Modelo Estándar es lo bastante fuerte como para ser responsable de la ruptura de simetría observada entre las fuerzas débil y electromagnética: lo más importante que se sigue sin saber sobre el Modelo Estándar es precisamente la causa de la ruptura de la simetría electrodébil.

El valor del Campo que rompe la simetría se denomina Valor de vacío, debido a que el campo toma este valor en el vacío, lejos de la influencia de cualquier partícula. Esta no es la primera vez que los físicos han propuesto la existencia de un nuevo campo o partícula para satisfacer algún requisito teórico. Varios años antes de que Salam y Weinberg desarrollaran una Teoría de las fuerzas débil y electromagnética basada en la ruptura espontánea de la simetría, algunos físicos habían ya descrito las matemáticas de ejemplos más sencillos de este tipo de ruptura de simetría, muy en particular Peter Higgs, en 1964. Por esta razón, la nueva partícula que se necesita en la versión original de la Teoría Electrodébil ha llegado a ser conocida comopartícula de Higgs. Nadie ha descubierto la partícula de Higgs, pero esto no contradice la Teoría. Se necesitan experimentos a energías mucho más altas para encontrarla y determinar su masa.

Según la versión más sencilla de la Teoría cosmológica del Big Bang, , alrededor de una diezmilmillonésima de segundo después de ese instante inicial, la temperatura del Universo cayó hasta unos mil billones de grados, y en ese instante, la simetría entre las fuerzas débil y electromagnética se rompió. La idea de ruptura espontánea de simetría ha desempeñado también un papel importante en los esfuerzos de los físicos para incluir la tercera fuerza del Modelo Estándar, la fuerza nuclear fuerte, dentro del mismo marco unificado que las fuerzas débil y electromagnética. Ni siquiera existe simetría en las ecuaciones del Modelo Estándar que relacionan las fuerzas nucleares fuertes con las fuerzas débil y electromagnética.

Desde principio de los años setenta, esto llevó a la búsqueda de una Teoría subyacente al Modelo Estándar en la que tanto las interacciones fuertes como la débil y la electromagnética quedaran unificadas mediante un único y gran grupo de simetrías espontáneamente rotas. Si realmente hubiera alguna simetría espontáneamente rota que ligara las fuerzas fuerte y electrodébil, entonces tendrían que existir nuevas partículas pesadas para completar la familia de las partículas portadoras de fuerza que acaompañan a los bosones W y Z, los fotones y los gluones. Puede que no exista una Teoría unificada independiente para las fuerzas fuerte y electrodébil, sino una Teoría unificada que verdaderamente englobe la gravitación.

Existe una jerarquía de simetrías: cualquiera que sea la simetría que unifica las fuerzas gravitatorias y nuclear fuerte con las fuerzas electrodébiles se rompe aproximadamente cien billones de veces más fuertemente que la simetría que unifica las interacciones débiles y electromagnéticas. Este es el problema de la Jerarquía, que durante quince años ha sido el hueso más duro de roer de la Física teórica. Una aproximación al problema de la jerarquía se basa en la idea de un nuevo tipo de simetría, conocido como Supersimetría, aunque hasta el momento no hay ningún signo de ella o de nuevas fuerzas extrafuertes en la naturaleza. Puede ser que las partículas de Higgs o las nuevas partículas requeridas por las diversas aproximaciones al problema de la jerarquía puedan ser descubiertas en los nuevos y suficientemente potentes aceleradores de partículas.

Teniendo en cuenta que el Modelo Estándar deja fuera la gravitación, es posible que sea simplemente una aproximación válida a baja energía a una Teoría unificada realmente fundsamental. El problema de los infinitos no ha desaparecido, sino que es un problema para la Teoría final. Si tenemos suerte, podremos descubrir aún evidencias definitivas de la desintegración del protón o de la masa del neutrino, o quizás los aceleradores puedan proporcionar aún evidencia de la supersimetría, aunque todo esto se mueve demasiado lentamente.Con aceleradores más potentes se podrán disponer de energías e intensidades suficientes para dilucidar la cuestión del mecanismo de la ruptura de la simetría electrodébil, bien mediante el hallazgo de una o más partículas de Higgs o bien revelando signos de nuevas fuerzas fuertes. Si la respuesta al problema de la jerarquía está en la supersimetría, esto podría descubrirse en los aceleradores. Si se descubrieran nuevas fuerzas fuertes, los nuevos aceleradores encontrarán muy probablemente una rica variedad de partículas nuevas.

La campaña de los físicos teóricos a favor de la construcción de nuevos aceleradores ha sido espoleada por una sensación de desesperación, la sensación de que sólo con los datos que proporcionen dichos aceleradores podrán estar seguros de que su trabajo seguirá adelante.