¿Qué es la paridad? - Belén Valenzuela Requena

¿Qué es la paridad?

(Por Belén Valenzuela Requena)

Capítulo 43 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

Asimov nos contó en 1973 que los objetos que poseían la simetría de paridad (P) eran idénticos a su imagen en el espejo. La letra “x” tiene simetría especular mientras que la “p” no tiene simetría especular: la imagen especular de “p” es “q”. También nos contó cómo definir la paridad en los procesos de partículas subatómicas y así decidir si un proceso cumple esta simetría o no.

Pero ¿qué se entiende por simetría? La simetría siempre ha fascinado al ser humano, la simetría de las flores, de los copos de nieve, del panal de las abejas, nosotros mismos somos casi simétricos. Podemos definir simetría como una transformación en la que haces a algo y que cuando terminas de hacerla está igual que antes. Así, por ejemplo, si a un objeto cuadrado lo rotamos 90º no lo podemos distinguir del objeto original. El “algo” en nuestro caso sería las leyes de la física. Así, las leyes de la física tienen la simetría de la paridad, si cuando realizamos la transformación de la paridad cambiando sus coordenadas por sus opuestas, las leyes permanecen invariables. Asimov también nos habló de otras dos transformaciones que se pueden aplicar a las leyes de la física: la conjugación de carga C en la que las partículas se transforman en sus contrarias, antipartículas, y la inversión temporal T en la que se invierte el sentido del tiempo como si viéramos una película marcha atrás.

¿Por qué los físicos se preocupan tanto de las simetrías de las leyes? Hasta Einstein las leyes de la física tenían que cumplir las simetrías que observamos en el Universo y eso ya es suficientemente importante. Pero Einstein hizo una revolución en el pensamiento [1]. Él construyó su teoría de la relatividad requiriendo que cumpliera ciertas simetrías. Esta idea cuajó en la física moderna y la simetría es el mejor aliado de los físicos para construir las teorías que describen tanto la física subatómica, como un imán, como el Universo. En este sentido la simetría es bella y fructífera.

En particular, las simetrías C, P y T van a tener un papel fundamental en la comprensión de nuestro universo. En 1927 Eugene Wigner propuso que nuestro mundo cumple la simetría P con lo que la imagen en el espejo del mundo se comportaría de la misma manera. La simetría P estaba firmemente establecida para la interacción gravitatoria, la interacción electromagnética y la interacción fuerte pero a mediados de los años 50 Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang pusieron de manifiesto que la situación era más confusa para la interacción débil. Estos investigadores contactaron con la investigadora Chien-Shiung Wu para proponerle experimentos que pudieran averiguar qué ocurría con la interacción electrodébil. Wu, junto con la National Bureau of Standards demostraron en 1956 que la fuerza débil no cumplía la simetría P.

Para entender el experimento a nivel fundamental necesitamos adentrarnos brevemente  en la interacción nuclear débil y en el Modelo Estándar (ME). El ME es la mejor teoría de la comprensión de nuestro Universo que tenemos hasta la fecha. En la época en que Asimov escribía su libro “100 preguntas básicas sobre la Ciencia” el ME se estaba construyendo. En este modelo existen dos tipos de partículas con distinta naturaleza, los fermiones y los bosones, estos últimos son las partículas intermediarias de las interacciones. Los fermiones más conocidos son los neutrones, protones, electrones y neutrinos [2] y el bosón más famoso es el fotón, que es la partícula intermediaria de la interacción electromagnética. Lo que nos interesa a nosotros para nuestra historia es que este modelo propone que los neutrones y protones no son partículas fundamentales si no compuestas y están formadas por partículas ahora sí, fundamentales, llamadas quarks [3]. En particular un protón está formado por dos quarks up (u) de carga +2/3 y uno down (d) de carga -1/3, es decir, protón=uud con carga=+2/3+2/3-1/3=1, y un neutrón está formado por dos down y uno up, es decir, neutrón=ddu con carga=-1/3-1/3+2/3=0.

La interacción débil es la responsable de la desintegración radiactiva que da lugar a la fisión nuclear y con ello a la posibilidad de la bomba atómica. Es la única que puede cambiar los sabores de los quarks y transformar un quark down en uno up o viceversa. Así la interacción débil puede transformar un neutrón en un protón. En la reacción se emiten además electrones (e^-)  y el antineutrino (ν, antipartícula del esquivo neutrino). De hecho, los neutrinos y antineutrinos interaccionan con la fuerza débil y no lo hacen ni con la fuerza fuerte ni con la electromagnética. Una posible reacción sería:

d -> u + ν + e^-

Los quarks y los electrones están compuestos de una parte dextrógira y otra levógira. El experimento solo se podía entender si la interacción débil involucraba únicamente la parte levógira del quark y los antineutrinos eran dextrógiros sin correspondiente parte levógira. Los neutrinos dejan de manifiesto que la simetría de paridad está rota. En aquel momento en el que se creía que el neutrino no tenía masa el neutrino se describía como un fermión de Weyl. Este fermión cumplía las mismas ecuaciones que otros fermiones pero con masa cero lo que le daba unas propiedades especiales.

Lev Landau propuso entonces que la conjugación de la carga junto con la paridad –simetría CP- se tenía que conservar. Allí donde una partícula no era simétrica, su antipartícula tampoco lo era, pero de manera contraria. En palabras de Asimov, si una partícula era como “p”, su antipartícula era como “q”.  En 1964 se observó indirectamente que esta simetría también estaba rota en algunos procesos que involucraban la interacción débil. No fue hasta 1990 que la rotura de esta simetría se pudo comprobar de forma directa. No voy a entrar en los detalles de los experimentos pero las consecuencias de este descubrimiento fueron enormes ya que entre otras cosas predijo la existencia de la tercera generación de quarks. Subsiguientes experimentos fueron encontrando los quarks puntualmente completando así el ME.

Con gran sorpresa en los años 90, Takaaki Kajita y Arthur McDonald, descubrieron que los neutrinos sí tienen masa. Por este descubrimiento han recibido el premio Nobel recientemente  (año 2015). El ME fue pensado para describir neutrinos sin masa y actualmente se está trabajando intensamente para arreglar esta fisura. El descubrimiento dio lugar a innumerables experimentos sobre neutrinos. Entre las consecuencias de este hallazgo, se piensa que la masa de los neutrinos tiene la llave (o una de ellas) para entender porque hay más materia que antimateria. Si hubiera habido tantas partículas como antipartículas en los primeros segundos después del Big Bang, se hubieran aniquilado entre ellas dejando solamente un eco de radiación. La simetría CP se debió de romper porque nosotros estamos por aquí. 

La simetría que sí se conserva en el ME es la simetría CPT, es decir, si invertimos el tiempo, cambiamos las partículas por antipartículas y las coordenadas por sus opuestas, las leyes de la física permanecen iguales. Siguiendo la filosofía de Einstein, al imponer estas simetrías se deduce que el universo está compuesto de dos tipos de partículas, los fermiones y los bosones. Ha habido propuestas de violación de CPT en teorías que van más allá del ME pero la mayor parte de la comunidad científica piensa que la simetría CPT se tiene que cumplir también en modelos de gran unificación en los que además de la fuerza electromagnética, la débil y la fuerte se integra la interacción gravitatoria.

Curiosamente, muchos conceptos de la física de partículas son muy relevantes en la física de la materia condensada. La materia condensada es una física más cercana a nuestro día a día donde se pretende entender el comportamiento de las fases condensadas algunas bien conocidas como la fase líquida y la sólida y otras más exóticas como la fase magnética o la superconductora. En un principio parecería que esta física de baja energía (1eV) no tendría nada que ver con la física de partículas elementales que se realiza en el CERN (³ TeV). Sin embargo, en los materiales se dan partículas efectivas que son bosónicas, o fermiónicas o incluso más exóticas. Las simetrías C, P y T tienen un papel fundamental en uno de los campos de investigación más activos de hoy en día, las fases topológicas de la materia. Estas fases además de ser una revolución en la comprensión de las fases de la materia podrían revolucionar nuestra manera de hacer computación. El año 2015 también fue un año especial porque experimentalmente se descubrieron los semimetales de Weyl [4]. Las partículas de Weyl no tuvieron futuro para explicar los neutrinos pero sí se han encontrado en materia condensada. Este descubrimiento pone de manifiesto una vez más la universalidad de los conceptos en física.

Puede que la próxima vez que te mires en el espejo te pase como Alicia y planees por los confines del Universo.

Notas:

[1] Standford Encyclopedia of Philosophy, Symmetry and Symmetry breaking. (2003, revisión 2013) http://plato.stanford.edu/entries/symmetry-breaking/

[2] Véase Capítulo 51

[3] Véase Capítulo 46

[4] Su-Yang Xu et al, “Discovery of a Weyl fermion semimetal and topological Fermi arcs”, Science 349.6248 (2015), pp. 613{617. issn: 0036-8075}.

Belén Valenzuela Requena

Doctora en Física.

Científico Titular.

Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid ICMM CSIC.