En noviembre de 1967 se publicó el artículo “A model of leptons”, del recientemente fallecido Steven Weinberg, en el que unificó las interacciones electromagnéticas y débiles, y sentó las bases del Modelo Estándar de Física de Partículas. Abrimos #HiloIFT!
En el s. XIX se unificaron todos los fenómenos eléctricos y magnéticos en las famosas ecuaciones de Maxwell para el campo electromagnético, que además explican la naturaleza de la luz como onda electromagnética
En la versión cuántica del electromagnetismo, las partículas cargadas, como el electrón, pueden interactuar entre ellas intercambiando una partícula mediadora, el fotón: la partícula de luz, el cuanto del campo electromagnético
Pero los electrones sienten también la interacción débil, que se manifiesta en fenómenos naturales como la desintegración nuclear beta. Lo curioso es que, cuando un electrón interactúa a través de la fuerza débil, ¡se puede convertir en un neutrino!
La interacción débil es la única capaz de cambiar la naturaleza de las partículas que participan. Sin ella, sería imposible que en el Sol algunos protones muten a neutrones, necesarios para formar núcleos de Helio, y el Sol (ni ninguna estrella) brillaría ¿Cómo te quedas?
📷@NASA
Para describir las interacciones débiles a nivel cuántico, hace falta que las partículas mediadoras del campo débil tengan carga eléctrica: son los bosones W+ y W-. Así un electrón (con carga -1) puede emitir un W- (carga -1) y transformarse en neutrino electrónico (carga 0)
Matemáticamente, los bosones W actúan transformando unas partículas en otras, igual que una rotación (o su inversa) actúa transformando unos vectores en otros en un espacio de 2 dimensiones. ¡Así que los electrones y neutrinos son dos caras de la misma partícula!
(Para puristas: Los electrones existen en dos variantes (o quiralidades), levógiros o dextrógiros, y sólo los electrones levógiros sienten la interacción débil y pueden ser “rotados” a neutrinos. Esta distinción entre izquierda y derecha se llama violación de paridad).
📷@Nature
En realidad, las “rotaciones” electrón/neutrino son en un espacio de 2 dimensiones complejas, porque sus funciones de onda son números complejos. Eso permite 2 transformaciones más, los cambios de la fase compleja de la función de onda de las 2 partículas en el doblete
Y eso implica que existen 2 partículas mediadoras más, aparte de los bosones W+ y W- . ¡Una es el fotón! La otra corresponde al bosón Z, mediador de interacciones débiles que no cambian el tipo de partícula. Estas “corrientes neutras" se descubrieron en el @CERN en 1973
La interacción electrodébil se refiere a esta descripción unificada de las interacciones electromagnéticas y débiles como transformaciones que actúan sobre dobletes de partículas. Técnicamente, está asociada a un grupo de simetría que se denomina SU(2)xU(1)
Pero electrones y neutrinos (y lo mismo para otras familias) no son TAN iguales ¿no? Así que la simetría electrodébil no puede ser exacta. Aquí el genio de Weinberg fue aprovechar los resultados de Brout, Englert y Higgs (y otros) de 1964, para romper la simetría
Weinberg introdujo un nuevo doblete de campos escalares, que en el vacío (su estado de mínima energía) adquieren un valor no nulo. Esto privilegia una dirección especial en el espacio de dobletes, y se conoce como ruptura espontánea de la simetría electrodébil.
La ruptura de simetría distingue las partículas en el doblete y les da diferentes propiedades. Además dota de masa a los bosones W y Z (80 y 91 GeV), sin dar masa al fotón. Del doblete de campos escalares, solo sobrevive una componente: el bosón de Higgs (125GeV)
📷@PHDcomics
Steven Weinberg, junto con Abdus Salam y Sheldon L. Glashow, que independientemente habían propuesto modelos relacionados para las interacciones débiles, recibieron el Nobel de Física en 1979 por estos resultados
📷@NobelPrize
Steven Weinberg es una de las figuras más prominentes en la Física de la segunda mitad del s.XX, con numerosos resultados más en múltiples áreas de la Física Teórica, incluyendo Teoría Cuántica de Campos, neutrinos, interacciones fuertes, gravedad, cosmología...
Una contribución muy original (¡y no exenta de debate!) de Weinberg es su artículo de 1987 sobre la constante cosmológica, donde usó argumentos antrópicos para predecir su valor más de una década antes de la medida observacional de la energía oscura en el universo
📷cooperscooper
Weinberg destacó además como autor de textos especializados (“Gravitation and cosmology” o los 3 tomos de “The quantum theory of fields”), así como de excelentes libros de divulgación científica avanzada, especialmente “Los tres primeros minutos” y “El sueño de una teoría final”
Terminamos con una frase de este maestro: “El esfuerzo por entender el universo es una de las pocas cosas que eleva la vida humana por sobre el nivel de la farsa, y le da algo de la dignidad de la tragedia.”
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