A horcajadas en el Tiempo

El Campo Débil
[Figura 12020101] El
decaimiento beta del neutrón.-
Según el modelo de los bosones
intermediarios, este proceso ocurre en
dos etapas. Primero, el neutrón se
transforma en un protón emitiendo una
partícula W virtual, misma que decae en
una segunda etapa en un electrón y un
antineutrino. Ya que la creación de la W
viola temporalmente la conservación de
la energía (de ahí lo virtual), la distancia
que ésta recorre está limitada por el
principio de incertidumbre de
Heisenberg.
W + , W¯ y Zº, los leptones y los quarks más pesados serían absolutamente estables y no se
desintegrarían en otros más ligeros. Entonces podrían existir indefinidamente muchas formas
exóticas de materia, en vez de existir tan sólo breves instantes en choques de alta energía entre
partículas cuánticas. Si se desconectase la interacción débil que elimina partículas «encantadas» y
«extrañas» del mundo, dejándolas desintegrarse, el mundo sería en verdad muy extraño. Todas
esas partículas extrañas podrían convertirse en bloques químicos para elaborar nuevas formas de
materia «extraña».
El papel de las partículas de interacción débil, el W + , el W¯ y el Zº, es el de transformar los
quarks convirtiéndolos en otros quarks y los leptones en otros leptones. Un quark encantado, por
medio de sus interacciones con una partícula W, puede transformarse en un quark d o en un quark
extraño. Las partículas débiles interactúan del mismo modo con los leptones. Un leptón tau, por
interacción con una partícula W, puede transformarse en un neutrino tau ónico. La existencia de
esas partículas débiles significa, en general, que los distintos quarks pueden transformarse unos en
otros y que los diferentes leptones, dentro de una misma familia, pueden transformarse unos en
otros. Pero los quarks no pueden transformarse en leptones y viceversa, porque esas interacciones
débiles respetan diversas leyes de conservación del número.
La versión cuántico-relativista de la formulación de Maxwell, la electrodinámica cuántica, fue
iniciada por Dirac hacía finales de la década de 1920 y, tal como lo señalamos al principio, fue
completada, en lo esencial, por Richard Feynman, Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga durante los
años de la década de 1940. En la electrodinámica cuántica el electrón es representado como una
onda. Para definir en forma completa una oscilación de este tipo deben conocerse su amplitud y su
fase, la fase mide el desplazamiento de la onda desde un punto de referencia arbitrario.
Experimentalmente sólo se pueden medir diferencias de fase, mas no la fase en sí. Es decir, esta
teoría cuántica es invariante ante cambios globales de fase, lo que, nuevamente, constituye una
simetría global de norma. Una formulación más general debe considerar cambios arbitrarios de fase.
Como en el caso del electromagnetismo, este cambio altera la simetría global. La simetría se restablece localmente a través de la inclusión de un
nuevo campo, el cual resulta ser el mismo campo electromagnético del fotón. Cuando un electrón absorbe o emite un fotón, las fases del campo
del electrón y del fotón se combinan garantizando así la simetría de norma local. La ley asociada a esta simetría es la de la conservación de la
carga eléctrica.
La naturaleza tiende a que las partículas más pesadas, dado que son las que tienen mayor masa-energía, liberen esta energía
desintegrándose en partículas más débiles, transformándose la energía de la partícula original en la energía de movimiento de las partículas más
ligeras. En consecuencia, los hadrones extraños o encantados (hadrones que contienen un quark extraño o encantado), más pesados, se
desintegrarán en hadrones más ligeros que no contendrán esos quarks de gran masa. En último término, sólo son estables el electrón, el
neutrino y el quark u (dado que es el quark de masa más ligera). Como los quarks sólo pueden aparecer atrapados dentro de bariones, esto
significa que sólo es estable el barión más ligero, el protón. La estabilidad de esas diversas partículas viene garantizada por las leyes de
conservación de la carga y por el hecho de que son las partículas más ligeras que conservan la carga. Es importante que existan estas partículas
estables. Si no, no tendríamos con qué construir el universo visible.
A mediados de la década de 1950, había evidencias de una relación íntima entre las interacciones electromagnéticas y las débiles por el
hecho de que el momento angular intercambiado en procesos débiles es unitario, idéntico al del fotón. Sin embargo, el corto alcance de la fuerza
débil revelaba que, de existir, las W deberían tener una gran masa. Por poseer un espín entero, las W serían bosones, y por ser éste distinto de
cero, a las W se les conoce como «bosones vectoriales intermediarios».
En 1958 John Ward y su alumno pakistaní Abdus Salam encontraron que, si la formuulación que describe a la fuerza débil pertenece a la
familia de las teorías de norma con simetría local, debería existir entonces un bosón intermediario con masa pero sin carga. Originalmente a esta
partícula se le llamó X (por ser la letra que sigue de la W), aunque ahora se le denomina Z. Esta nueva partícula mediaría, por ejemplo, en la
dispersión neutrón-neutrino, en la que no participa el campo electromagnético. Si hubiese una unificación entre estos dos campos, es decir si las
fuerzas débil y electromagnética fueran sólo dos manifestaciones de una misma fuerza, la electro-débil, ¿a qué se debe que una de ellas tenga
alcance infinito y la otra sólo se sienta a distancias nucleares? Dicho en otras palabras, ¿por qué el multiplote de mediadores del campo
electrodébil contiene a la vez partículas con masa (las W y la Z) y sin masa (el fotón)? Se trata de un fenómeno que intentaremos responder en
nuestra siguiente sección.
http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-12_02-01.htm (2 of 3)29/12/2004 23:39:41