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Los primeros intentos por unificar las fuerzas débil y electromagnética se inspiraron en el intento fallido de unificar a la fuerte y a la electromagnética que había sido realizado por Yang y su colega Robert Lawrence Mills en 1954. Se trataba de intentar unir una fuerza simétrica como es la fuerte con respecto al intercambio de protones y neutrones; es decir que si se ignoran los efectos de la carga eléctrica del protón, un núcleo en el que se intercambien todos sus protones por neutrones y viceversa no sería distinguible del núcleo original. Esto indica una simetría global de norma. Una formulación completa de las interacciones fuertes debe considerar el caso más general de intercambios locales neutrón-protón. Como antes, la simetría global se pierde y para restablecerla localmente es necesario agregar algo. En este caso, sin embargo, es necesario suponer la existencia, no de una, sino de cuatro partículas sin masa. Dos de éstas, denominadas partículas de Yang-Mills, son neutras, y una de ellas podría identificarse con el fotón. Las dos restantes tienen la peculiaridad de poseer carga eléctrica, una positiva y otra negativa.
Como era obvio, la teoría de Yang-Mills fue objetada casi de inmediato por varias razones fundamentales. Entre las más elementales estaba su predicción de la existencia de fotones cargados. Si hubiera partículas cargadas con masa inferior a la del electrón, el universo sería totalmente distinto del que conocemos. Sin embargo, esta formulación posee algunas características matemáticas tan especiales que motivaron a los físicos teóricos a buscar alguna manera de modificarla para eliminar sus defectos más que a desecharla y/o arrinconarla definitivamente.
En la teoría de Yang-Mills, si se aplica una operación de simetría, llamémosla A, y luego otra B, el resultado es diferente de que se apliquen inversamente: primero B y luego A. Por esta razón, se dice que se trata de una teoría no-abeliana. Esta terminología se deriva del trabajo del matemático noruego Neils Henrik Abel, el cual a principios del siglo XIX estudió las propiedades de los grupos de transformaciones en las que se obtiene el mismo resultado si se conmutan. Uno de los mayores atractivos de las teorías de norma no-abelianas con simetría local es que la relatividad general pertenece a esta familia, por lo que una formulación de este tipo para cualquiera de las otras fuerzas sería un paso importante hacia la unificación.
Steven Weinberg y Abdus Salam descubrieron en 1967-1968 en la teoría relativista del campo cuántico la posibilidad de expresar las interacciones electromagnéticas y débiles de una manera unificadas. No sólo se expresaba las interacciones débil y electromagnética como se conocían entonces, sino que también se predecían características completamente nuevas de tales interacciones, características que aportaron gran credibilidad a la teoría cuando se observaron experimentalmente. El descubrimiento más espectacular fue tal vez el que hicieron en 1983 los físicos del CERN que detectaron las partículas W y Z y los valores de masa predichos (80-90 GeV): hermosa confirmación de la teoría electrodébil.
Anteriormente señalamos de que cómo era posible que coexistieran en el campo electrodébil partículas sin masa como el fotón y otras másicas como la W y Z. ¿Cómo puede existir una diferencia de masa tan grande entre las partículas W y Z y el fotón si están verdaderamente unificadas las interacciones débil y electromagnética que esas mismas partículas producen? La solución a este problema nos la da la idea de «simetría rota».
La noción de simetría rota constituye la esencia misma de la síntesis electrodébil de Weinberg y Salam. Puede explicarse con bastante sencillez. En el modelo matemático del campo cuántico que elaboraron estos científicos, el fotón y las partículas débiles son cuantos asociados con diversos componentes de campos de Yang-Mills, Esos campos poseen una simetría de Yang-Mills que los transforma uno en otro, de modo que todos son manifestaciones de campos unificados subyacentes, y en ese sentido están relacionados. Pero el modelo electrodébil, además de tener campos de Yang-Mills, leptónicos y quárquicos, poseen un nuevo componente: el campo de Higgs. Este es el campo de gran masa y espín cero que desempeña un papel capital a la hora de determinar cómo acaban manifestándose todos esos campos en la naturaleza. El campo de Higgs tiene también varios componentes, y si escribimos las ecuaciones nos encontramos con que también poseen la simetría de Yang-Mills. Pero la solución estable a esas ecuaciones para el campo de Higgs no tiene simetría; revela, por el contrario, una simetría rota. Como el campo de Higgs interactúa con los demás campos, sus ecuaciones, aunque simétricas, también tienen soluciones en las que la simetría está rota. Cuando una simetría se ha roto, afecta a todos los campos.
El campo de Higgs es una especie de «rompedor de simetría» que destruye la simetría de Yang-Mills original. Pero en 1964 el escocés Peter Ware Higgs encontró un método para dotar de masa a los campos de Yang-Mills sin romper la simetría local. La idea de Higgs se basa en un proceso conocido como «rotura espontánea de simetría». Este mecanismo se puede ilustrar tomando como ejemplo una bolita en el fondo de una botella de vino. Las botellas, en general, presentan simetría cilíndrica, por lo que la posición simétrica de la bolita en el fondo sería el centro. Sin embargo los envases de vino se caracterizan por tener una protuberancia central en el fondo que obliga a una bolita a permanecer en un estado asimétrico, en una orilla. En otros términos, el estado simétrico es de mayor energía potencial que el asimétrico. Si se deja a la bolita sobre la protuberancia, por un instante habrá simetría pues la bolita tendría libertad de caer en cualquier dirección. Sin embargo, cuando cae, hay un rompimiento espontáneo de la simetría, y la simetría queda escondida.
Según Higgs, refiriéndose a la masa de los campos de Yang-Mills, el estado simétrico corresponde al caso de campos sin masa; sin embargo, la existencia de un nuevo campo elevaría la energía de este estado por encima de otro en el que las partículas de Yang-Mills adquieren masa.
La simetría rota es precisamente lo que se necesita para diferenciar las interacciones electromagnéticas de las débiles. Los campos W y Z alcanzan gran masa debido a este «mecanismo de Higgs» de ruptura de simetría, mientras que el fotón, que retiene un residuo de la simetría de Yang-Mills exacta original, se mantiene sin masa. Aunque la teoría subyacente es simétrica y unificada, su manifestación en el mundo real no lo es. Como decía Weinberg: «Aunque una teoría postule un alto grado de simetría, no es necesario que los estados de las partículas muestren la simetría... Nada me parece tan halagüeño en física como la idea de que una teoría puede tener un alto grado de simetría que se nos oculta en la vida ordinaria.».
El campo de Higgs parece desempeñar un papel crucial en la ruptura de la simetría de las ecuaciones; los físicos experimentales deberían detectar algún día la partícula cuántica asociada con este campo. Por desgracia, a diferencia de la predicción de la masa de W y Z, la teoría no aporta una predicción precisa de la masa de la partícula de Higgs. Sería, sin embargo, una poderosa ratificación de esas ideas el que se produjese y detectase en laboratorio una partícula de Higgs. Los físicos del laboratorios de altas energías como los nuevos que se han puesto últimamente en operación van a buscarla ahora con mayores posibilidades ya que cuentan con un mayor poder de aceleración.
Resumiendo, tenemos: el modelo estándar que consta de la cromodinámica cuántica para las interacciones fuertes de los quarks y de la teoría electrodébil para las interacciones débil y electro magnética de quarks y leptones. Los experimentos parecen coincidir con el planteamiento teórico; pero es preciso realizar más pruebas. Se han detectado fenómenos de alta energía que tal vez no se expliquen fácilmente con el modelo estándar. Pero no está claro el sentido de tales fenómenos. La mayoría de los teóricos de la física de partículas han ritualizado el modelo estándar como si fuese una verdad absoluta que describe la constitución del universo y todo modelo futuro debe incluirlo.
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