18 La teoría electrodébil

Tras el éxito de la electrodinámica cuántica, los físicos buscaron extender la teoría cuántica de campos al resto de las fuerzas fundamentales, como la fuerza débil, responsable de ciertos decaimientos radiactivos y procesos subatómicos.

 

La desintegración radiactiva.

Uno de los descubrimientos más sorprendentes del siglo XIX fue la radiactividad. En 1896, Henri Becquerel, al investigar la fluorescencia del sulfato doble de uranio y potasio, observó de manera fortuita una emisión espontánea de radiación que no podía explicarse con la física de la época.

Posteriormente, Pierre y Marie Curie fueron los primeros en utilizar el término radiactividad para describir la propiedad de ciertos elementos, como el uranio, de emitir radiación de manera espontánea, sin excitación externa.

Estos científicos, que compartieron el Premio Nobel de Física en 1903 (Becquerel recibió la mitad y los Curie la otra mitad), comprendieron que detrás de esta emisión había un proceso más complejo, denominado desintegración radiactiva, en el que una partícula se transforma en otra mientras emite partículas portadoras de energía, lo que explica el riesgo asociado a la radiactividad.

 

La fuerza débil.

Para que estas transformaciones tengan lugar, debe existir una fuerza que medie el proceso. Dado que se manifiesta únicamente a muy corta distancia – del orden del tamaño del núcleo atómico –, en un principio se la denominó como fuerza nuclear débil. Con el tiempo se comprobó que también actúa sobre partículas fuera del núcleo, como los muones, y por ello hoy se prefiere hablar simplemente de fuerza débil, o en la terminología moderna, interacción débil.

El ejemplo más conocido de esta fuerza es la desintegración beta, uno de los tres tipos de decaimiento nuclear (alfa, beta y gamma). En la desintegración beta menos (β^–), que veremos en este mismo capítulo, un neutrón (n) se transforma en un protón (p) y, en el proceso, se emite un electrón (e^–), o partícula beta (término utilizado por Ernest Rutherford y sus colegas a principios del siglo XX para referirse al electrón, y posteriormente también para el positrón). Para asegurar la conservación de la energía, el momento y el espín, Wolfgang Pauli postuló en 1930 la existencia de una partícula neutra, muy ligera y de interacción extremadamente débil con la materia.

En 1933–1934, Enrico Fermi publicó la primera teoría de la interacción débil, conocida como la teoría de Fermi de la desintegración beta, en la que introdujo la constante de Fermi (GF) como parámetro fundamental, cuantificando la intensidad de la interacción débil a bajas energías. En esta teoría incorporó la partícula postulada por Pauli, a la que denominó neutrino (diminutivo italiano de neutrone, “neutrón pequeño”). Fermi propuso que los neutrinos, al igual que los electrones, se crean en el proceso de desintegración beta y no están contenidos en el núcleo. Además, formuló la interacción como un acoplamiento directo entre los cuatro fermiones implicados (neutrón, protón, electrón y neutrino), lo que equivale a describir una fuerza de alcance nulo.

La teoría de Fermi no solo explicó la desintegración beta, sino también otros procesos débiles, como el decaimiento del muón, descubierto en los rayos cósmicos en 1936. En este proceso, un muón se transforma en un electrón acompañado por dos neutrinos, en un mecanismo análogo al de la desintegración beta. Estos resultados mostraron que la interacción débil tenía un carácter universal, actuando también sobre partículas elementales fuera del núcleo.

Aunque tuvo un gran éxito inicial, la teoría de Fermi presentaba limitaciones: al ser una interacción puntual, su extrapolación a energías altas predecía probabilidades infinitas, lo que indicaba que era válida únicamente a bajas energías. Además, no podía explicar ciertos procesos de partículas observados a energías mayores. Estas limitaciones condujeron al desarrollo de una formulación más general, que culminaría en la teoría electrodébil con bosones mediadores W y Z.

 

La violación de la simetría de paridad.

La simetría de paridad, o simetría P, establece que las leyes de la física deberían permanecer inalteradas bajo inversiones especulares, como si el universo se comportara igual que su imagen en un espejo. Como metáfora, podemos imaginar que nuestros cuerpos son aproximadamente simétricos; al mirarnos en un espejo, la imagen se ve igual. Hasta 1956 se pensaba que todas las fuerzas fundamentales respetaban esta simetría. Por ejemplo, la fuerza electromagnética y la gravedad sí lo hacen; incluso los movimientos de los planetas en el sistema solar serían iguales si se reflejasen en un espejo.

Chen-Ning Yang y Tsung-Dao Lee propusieron que la fuerza débil podría violar la simetría de paridad, es decir, que no se comporta igual bajo reflexión especular. Sugirieron un experimento para comprobarlo, y ese mismo año 1956 la física experimental Chien-Shiung Wu lo realizó. Sus resultados confirmaron la predicción de Yang y Lee: la interacción débil no conserva la paridad.

 

El experimento de Wu.

Este experimento consistió en observar la desintegración de átomos de cobalto-60 enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto y alineados en un campo magnético uniforme. El cobalto-60 se transforma en níquel-60 mediante desintegración beta, emitiendo electrones.

El resultado fue sorprendente: los electrones no se emitían de manera simétrica, sino preferentemente en una dirección respecto al espín de los núcleos alineados. Dicho de forma intuitiva, el proceso distinguía entre “mano derecha” y “mano izquierda”, revelando la existencia de una dirección privilegiada en la naturaleza.

La responsable de esta asimetría es la interacción débil, que viola la simetría de paridad. En particular, se observó que los neutrinos emitidos en estos procesos poseen una quiralidad definida: solo existen neutrinos levógiros (con helicidad negativa) y antineutrinos dextrógiros. Este hallazgo constituyó la primera demostración experimental de que las leyes de la física no son invariantes bajo reflexión especular.

 

El modelo de Schwinger.

Tras el descubrimiento de la violación de la paridad, quedó claro que la interacción débil requería una descripción más completa, similar a la del electromagnetismo. La idea de fondo era reemplazar la descripción puntual de Fermi por una teoría basada en el intercambio de partículas mediadoras, tal como el fotón lo hace en la interacción electromagnética.

En 1957, Julian Schwinger dio un paso decisivo al proponer que la interacción débil podría explicarse mediante el intercambio de una partícula vectorial cargada y con masa, análoga al fotón pero distinta de él. Su propuesta introducía una visión más dinámica: las partículas no interactúan directamente, sino que intercambian un bosón mediador responsable de la interacción.

No obstante, Schwinger no formuló aún una teoría gauge completa, ni introdujo los nombres de los bosones W y Z. Su propuesta fue esencialmente conceptual, pero abrió el camino hacia un modelo más unificado en el que las fuerzas pudieran entenderse como resultado de simetrías fundamentales.

 

La simetría gauge.

Como hemos visto en el capítulo Las simetrías en la física, las simetrías se asocian con invariancias: las leyes de la naturaleza no cambian aunque variemos la forma de describir ciertos aspectos del sistema. También vimos que una simetría gauge es un tipo particular de simetría que se aplica a los campos que transmiten las fuerzas.

Intuitivamente, significa que podemos “redefinir” localmente cómo describimos las partículas cargadas y sus interacciones, sin que las leyes físicas cambien. Esta exigencia de invariancia no es solo un refinamiento matemático: al imponerla, la teoría predice necesariamente la existencia de partículas mediadoras – los llamados bosones de gauge – que actúan como portadores de las fuerzas.

El electromagnetismo es el ejemplo más claro: su simetría gauge U(1) implica la existencia del fotón como su partícula mediadora. Este principio sirvió de inspiración para extender la idea de simetría gauge a otras interacciones fundamentales, como la fuerza débil.

 

El modelo de Glashow: La fuerza electrodébil.

Inspirado por estas ideas, en 1961 Sheldon Glashow propuso aplicar una simetría gauge más amplia, denominada SU(2) × U(1). De esta estructura surgían de manera natural cuatro campos gauge fundamentales. En los primeros instantes del Big Bang, antes de la ruptura espontánea de la simetría, estos campos eran sin masa.

En el capítulo Las simetrías en la física vimos que el mecanismo de Higgs ejemplifica la ruptura espontánea de la simetría gauge. De acuerdo con este mecanismo, cuando ocurre la ruptura espontánea, dos campos se combinan para formar los bosones cargados W^–, W⁺, ambos asociados al grupo SU(2). Los otros dos campos se mezclan “matemáticamente” para dar lugar a:

Una combinación con masa, el bosón Z⁰ (grupo SU(2))

Y otra combinación sin masa, el fotón (grupo U(1))

Así, además de predecir los bosones W^–, W⁺ y Z⁰, junto al fotón, Glashow sugirió que Z⁰ podía considerarse un “hermano” del fotón, ambos provenientes de una mezcla de dos de los cuatro campos gauge originales. En este marco, el electromagnetismo y la interacción débil no son fuerzas distintas, sino dos manifestaciones de una misma interacción más fundamental: la fuerza electrodébil.

De acuerdo con el modelo de Glashow, los dos tipos de desintegración beta conocidos, beta menos (β^–) y beta más (β⁺), se entienden como procesos mediados respectivamente por los bosones W^– y W⁺. En ambos casos se conservan las cargas y los números leptónicos:

Desintegración beta menos (β^–): un neutrón (n) se convierte en un protón (p), emitiendo un electrón (e^–) y un antineutrino electrónico (‾𝒗_𝒆). Este proceso ocurre espontáneamente en neutrones libres y puede representarse con el siguiente diagrama de Feynman:

Desintegración beta más (β⁺), también conocida como emisión de positrones, ocurre cuando un protón (p) se transforma en un neutrón (n), emitiendo un positrón (e⁺) y un neutrino electrónico(𝒗_𝒆). Este proceso no ocurre en protones libres. Su diagrama sería el siguiente:

En cuanto al decaimiento del muón, donde un muón (µ^–) se desintegra en un electrón (e^–), un neutrino muónico (𝒗_𝝁) y un antineutrino electrónico (‾𝒗_𝒆), su diagrama sería el siguiente:

En cuanto al bosón Z⁰, el modelo de Glashow hacía una predicción concreta y verificable: debía existir una interacción débil neutra, es decir, procesos en los que los neutrinos pudieran interactuar con otras partículas mediante el intercambio de un bosón Z⁰, sin transferencia carga eléctrica. Esta predicción se confirmó en 1973 en el CERN, gracias a la cámara de burbujas Gargamelle, donde se observaron por primera vez las llamadas corrientes neutras donde, por ejemplo, un neutrino (𝒗_𝒆) puede chocar con un electrón (e^–) y ambos permanecen del mismo tipo después de la interacción; solo intercambian el bosón Z⁰. Su diagrama sería el siguiente:

La corriente neutra es el principal proceso conocido a bajas energías en el que media al bosón Z⁰, que no cambia la identidad de las partículas; solo transmite la fuerza débil de manera neutral.

En resumen: W^– y W⁺ median corrientes cargadas, como la desintegración beta, donde sí se intercambia carga; y Z⁰ media corrientes neutras, que no cambia la identidad de las partículas, solo transmite la fuerza débil de manera neutral sin intercambio de carga.

Una década más tarde, en 1983, también en el CERN (experimentos UA1 y UA2 del Super Proton Synchrotron, SPS), se detectaron directamente los bosones W y Z⁰, confirmando la teoría electrodébil.

 

La masa de los bosones W y Z⁰.

Glashow había propuesto una unificación teórica elegante de dos fuerzas fundamentales – la fuerza electromagnética y la fuerza débil – lo que constituye uno de los mayores logros de la historia de la física. Sin embargo, su teoría era incompleta: faltaba el mecanismo que explicara cómo las partículas mediadoras adquirían las masas observadas. En particular, no podía justificar por qué los bosones W y Z⁰ tienen masa, mientras que el fotón no.

Se sabía que la fuerza débil es de muy corto alcance y que existe una relación directa entre el alcance de una interacción y la masa de su partícula mediadora: a mayor masa, menor alcance. Dado que el fotón carece de masa, la fuerza electromagnética tiene alcance infinito; en cambio, las partículas mediadoras de la fuerza débil – los bosones W y Z⁰ – debían ser muy masivas. No obstante, en el modelo de Glashow estos bosones resultaban sin masa, evidenciando la necesidad de introducir un mecanismo físico capaz de generar masa por interacción.

En 1967–1968, Steven Weinberg y, de forma independiente, Abdus Salam, completaron la propuesta de Glashow incorporando el mecanismo de Higgs, propuesto pocos años antes por Peter Higgs, François Englert y Robert Brout, que explica cómo los bosones W y Z⁰ adquieren masa sin romper la coherencia de la teoría. Este mecanismo será tratado con más detalle en el capítulo El mecanismo de Higgs.

Gracias a esta incorporación, la teoría electrodébil se volvió consistente y predictiva. En reconocimiento a este logro, el Premio Nobel de Física de 1979 fue otorgado a Glashow, Weinberg y Salam “por sus contribuciones a la teoría unificada de la interacción débil y la electromagnética”.