La Unificación Electrodébil

El descubrimiento en 1983 de las partículas W y Z, los bosones vectoriales intermedios, trajo la verificación experimental de partículas, cuya predicción ya había contribuido a la concesión del premio Nobel a Weinberg, Salam y Glashow en 1979. El fotón, la partícula involucrada en la interacción electromagnética junto con las W y Z, proporcionan las piezas necesarias para unificar las interacciones débiles y electromagnéticas. Con masas de alrededor de 80 y 90 Gev, respectivamente, las partículas W y Z eran las más masivas, vistas en la época de su descubrimiento, mientras que el fotón es una partícula sin masa. La diferencia en las masas, se atribuye a la ruptura espontánea de la simetría cuando el universo caliente se enfrió. La teoría sugiere que a muy altas temperaturas, donde las energías kT de equilibrio están por encima de 100 GeV, estas partículas son esencialmente idénticas, y las interacciones débiles y electromagnéticas eran manifestaciones de una única fuerza. La cuestión de cómo la W y Z adquirieron tanta masa en la ruptura espontánea de la simetría, sigue siendo un misterio. El mecanismo de ruptura de simetría es llamado campo de Higgs, y requiere la mediación de un nuevo bosón, el bosón de Higgs.

El siguiente paso es la inclusión de la interacción fuerte en lo que es llamada la gran unificación.

Ruptura Espontánea de la Simetría

Las fuerzas fundamentales débiles y electromagnéticas, parecen muy diferentes en el universo actual de temperatura relativamente baja. Pero cuando el universo era mucho más caliente, de manera que la energía de equilibrio térmico era del orden de 100 GeV, estas fuerzas podían haber sido esencialmente idénticas -parte de la misma fuerza unificada "electrodébil"-. Pero como la partícula de intercambio de la parte electromagnética es el fotón sin masa, y las partículas de intercambio de la interacción débil son las masivas partículas W y Z , la simetría se rompió espontáneamente cuando la energía disponible cayó por debajo de unos 80 GeV, y las fuerzas débiles y electromagnéticas tomaron un aspecto claramente diferente. El modelo es que, a una temperatura aún más alta, hubo simetría o unificación con la interacción fuerte, la gran unificación. Y aún más alta, la fuerza de la gravedad se pudo unir, para mostrar que las cuatro fuerzas fundamentales era una sola fuerza unificada. Trefil invoca algunas analogías interesantes para ilustrar el concepto de ruptura espontánea de la simetría.

Ruptura de la Simetría: Analogías

El concepto de ruptura espontánea de simetría es importante para la comprensión de la unificación electrodébil y unificaciones adicionales. Trefil invoca algunas analogías en el campo de la física clásica.

El copo de nieve: Tanto las moléculas de hidrógeno como las de oxígeno son bastante simétricas cuando están aisladas. La fuerza eléctrica que rige sus acciones como átomos es también una fuerza que actúa simétricamente. Pero cuando su temperatura se reduce y se forman una molécula de agua, la simetría de los átomos individuales se rompe, ya que forman una molécula con 105 grados entre los enlaces hidrógeno-oxígeno. Cuando se congela para formar un copo de nieve, forman otro tipo de simetría, pero la simetría de los átomos originales se pierde. Dado que esta pérdida de simetría se produce sin ninguna intervención externa, se dice que ha sufrido una rotura espontánea de la simetría

Ruptura de la Simetría Magnética

Un imán se puede utilizar como una analogía para ilustrar el concepto de ruptura espontánea de simetría que es importante para la comprensión de la unificación electrodébil y unificaciones adicionales. Cuando se magnetiza fuertemente un imán en una dirección, sería difícil adivinar que la interacción subyacente es realmente simétrica bajo rotación. El campo magnético del imán es ciertamente muy diferente si se gira 90 grados, o 180 grados. La simetría subyacente sólo puede verse si se eleva la energía del sistema -calentando el imán a su temperatura de Curie eliminaría el campo magnético direccional y restauraría la simetría rotacional del material. Esto es una analogía adecuada para la unificación electrodébil, ya que la simetría entre la fuerza de Coulomb y la interacción débil, no es ciertamente evidente a bajas temperaturas. Las fuerzas electromagnéticas aparecen estar unificadas solamente a suficientemente altas temperaturas donde las energías disponibles est‡n en exceso de las energías de masa de las partículas de intercambio W y Z para la interacción débil, o en las proximidades de los 100 GeV

La Gran Unificación

La gran unificación se refiere a la unificación de la interacción fuerte con la unificada interacción electrodébil. El problema básico de la "restauración de la simetría rota" entre las fuerzas fuerte y electrodébil, es que la fuerza fuerte sólo funciona con partículas de color, y los leptones no tienen color. Se necesita la capacidad de convertir los quarks en leptones y viceversa. Pero esto viola la conservación del número bariónico, que es un fuerte principio experimental de física nuclear. El número de bariones menos el número de leptones (BL), debe aún conservarse cuando un quark se cambia a un anti-leptón. La masa del bosón de intercambio requerida es de 10¹⁵ eV, que se parece mas a la masa de una partícula de polvo visible, que la de una entidad nuclear. Esta partícula se llama bosón X.

Una predicción de las grandes teorías unificadas es que el protón es inestable en algún nivel.

En la década de 1970, Sheldon Glashow y Howard Georgi propusieron la gran unificación de las fuerzas fuertes, débiles, y electromagnéticas, a energías por encima de 10¹⁴ GeV. Si a tales ocasiones se aplica el concepto ordinario de la energía térmica, se requeriría una temperatura de 10²⁷K, para que la energía de la partícula promedio fuera de 10¹⁴ GeV.

La unificación de la fuerza fuerte está mucho más allá de nuestro alcance en la actualidad, y la unificación de la gravedad con las otras tres, está fuera del alcance de los experimentos terrestres. Esto ha llevado a una mayor cooperación entre los físicos de partículas de alta energía y los astrofísicos, ya que cada grupo se da cuenta de que algunas de sus respuestas sólo pueden venir del otro.