LA TEORÍA CUÁNTICA ELECTRODÉBIL

4ta Parte de la Serie de Artículos de la Teoría Cuántica de Campos

En el trabajo que luego les garantizaría un Premio Nobel, los físicos Glashow, Salam y Weinberg, demostraron que en condiciones de alta energía y temperatura (similar a las condiciones durante la fracción de segundo después del Big Bang), el campo electromagnético y el campo nuclear débil se disuelven en uno solo, y adoptan características indistinguibles, esto es conocido como un campo electrodébil.

Cuando la temperatura desciende, como ha estado sucediendo continuamente desde el Big Bang, la fuerza electromagnética y la fuerza débil se cristalizan de manera distinta, en un proceso llamado ruptura de la simetría.

Los físicos demostraron que dos de las fuerzas fundamentales, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, comparten un mismo origen.

La fuerza nuclear débil actúa únicamente a distancias cortas, más pequeñas que el núcleo atómico; mientras que, la fuerza electromagnética puede extenderse a grandes distancias, como es posible observar mediante la luz de las estrellas que viaja a través de galaxias enteras, debilitándose solo con el cuadrado de la distancia. De hecho, experimentos comparativos sobre la fuerza de las interacciones fundamentales entre dos protones, revelan que la fuerza nuclear débil es cerca de 10 millones de veces más débil que la fuerza electromagnética. Sin embargo, uno de los principales descubrimientos del sigo XX ha sido que estas dos fuerzas son solo facetas distintas de una sola fuerza más fundamental, que llamamos fuerza electrodébil.

La teoría electrodébil surgió principalmente de la necesidad de producir una teoría cuántica acorde con la fuerza nuclear débil, en analogía con la electrodinámica cuántica (QED) y la cromodinámica cuántica (QCD).

Existen dos requisitos básicos para la teoría de Gauge de la fuerza nuclear débil. Primeramente, debe exhibir una simetría matemática subyacente, llamada invariancia de gauge, de manera que los efectos de la fuerza sean los mismos en diferentes puntos del espacio-tiempo. Segundo, la teoría debe ser renormalizable, es decir, no debe contener cantidades infinitas, no físicas.

Durante la década de 1960, Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg descubrieron de forma independiente que podían construir una teoría de invariancia gauge de la fuerza nuclear débil, siempre y cuando incluyeran la fuerza electromagnética. Su teoría requería la existencia de cuatro partículas "mensajeras/portadoras" sin masa, dos cargadas eléctricamente y dos neutrales, para mediar la interacción electrodébil unificada. Sin embargo, el corto alcance de la fuerza nuclear débil indicaría que es transportada por partículas gauge masivas. Esto implica que la simetría subyacente de la teoría está oculta, o "rota", por algún mecanismo que da masa a las partículas intercambiadas en interacciones débiles pero no a los fotones intercambiados en interacciones electromagnéticas. Este supuesto mecanismo implica una interacción adicional de un campo invisible esparcido por todo el espacio, conocido como el campo de Higgs.

A principios de la década de 1970, se proporcionaron los fundamentos matemáticos para volver a renormalizar la teoría electrodébil unificada. La renormalización eliminó las inconsistencias físicas inherentes a los cálculos anteriores sobre las propiedades de las partículas transportadoras (gauge), y permitió cálculos precisos sobre sus masas, lo cual condujo a una aceptación generalizada de la teoría electrodébil.

La existencia de las partículas portadoras de fuerza (bosones), las partículas Z neutrales y las partículas W cargadas, se verificó experimentalmente en 1983 en colisiones de protones-antiprotones de alta energía en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). Siendo sus masas consistentes con los valores predichos en la teoría.