La simetría

Simetría de conservación de carga, conservación de paridad, simetría temporal

El principio director del modelo estándar dicta que sus ecuaciones son simétricas.

De igual modo que una esfera ofrece el mismo aspecto desde cualquier punto de vista, las ecuaciones del modelo estándar subsisten sin variación al cambiar la perspectiva desde la que son definidas.

Las ecuaciones permanecen invariables, además, cuando esta perspectiva se desplaza en distinta magnitud a diferentes puntos del espacio y el tiempo.

Simetría

En los cuerpos geométricos, la exigencia de simetría les impone a sus posibles formas unas condiciones muy estrictas.

Una esfera abollada no ofrece idéntico aspecto desde todos los puntos de vista.

Análogamente, el requisito de simetría impone a las ecuaciones, exigencias no menos estrictas.

Dichas simetrías engendran fuerzas que son transportadas por partículas especiales, los bosones.

Simetría esfera

Al hablar de física de partículas se suele hablar de tres tipos de simetrías:
- La simetría C o conservación de la carga. Significa que las leyes de la física deben ser las mismas si se intercambian partículas por antipartículas.
- La simetría P o conservación de la paridad. Afirma que las leyes de la física serían las mismas si se pudiesen intercambiar las partículas de carga positiva con las de carga negativa. La simetría P dice que las leyes de la física permanecerían inalteradas bajo inversiones especulares, es decir, el universo se comportaría igual que su imagen en un espejo. Antes de 1960, se pensaba que la conservación de la paridad era una ley bien establecida de la naturaleza.
- La simetría T o simetría temporal. Afirma que las leyes de la física son las mismas al cambiar +t por –t.

La Simetría CP es la unificación de la simetría C y de la simetría P. La simetría CP es una suma de ambas.

El papel de la simetría en la naturaleza es muy importante y está ligada a leyes de conservación.



La matemática alemana Emmy Noether (º882-1935) enunció un teorema que dice: “toda simetría lleva asociada una ley de conservación, y viceversa”.
Por ejemplo: la conservación de la energía está relacionada con la simetría temporal o simetría T; la conservación del momento lineal está relacionada con la invarianza de las leyes físicas frente a traslaciones; la conservación del momento angular está relacionada con la invarianza de las leyes físicas frente a rotaciones.

La interacción nuclear fuerte, la gravedad y el electromagnetismo cumplen la simetría CP. Pero, en la segunda mitad del siglo XX se descubrió que la interacción débil, no cumple la simetría CP, lo cual se manifiesta en ciertas desintegraciones radiactivas.

La violación de la simetría CP en la interacción nuclear débil, fue descubierta en 1964, por James Cronin y Val Fitch, quienes recibieron el Premio Nobel en 1980.

En física de partículas, admitiendo la violación de la simetría CP, se puede explicar por qué en el Universo existe más materia que antimateria.

A mediados de los años 1950’s, Chen Ning Yang y Tsung-Dao Lee descubrieron que la interacción débil violaba la conservación de la simetría P o conservación de la paridad. Este resultado, comprobado experimentalmente, fue realmente tan sorprendente que la Academia Sueca decidió recompensarlos con el Premio Nobel de Física en 1957.

Al principio se pensó que, aunque la simetría P se rompía, la simetría C se conservaba. Es decir, que las leyes de la física seguirían siendo las mismas si se sustituyeran las partículas por sus antipartículas. Pero más adelante, en 1964, James Cronin y Val Fitch demostraron que en la interacción débil, tampoco se conservaba la simetría CP. Ambos  recibieron el Premio Nobel de Física en 1980.

En el año 2008, se concedió el Premio Nobel de Física a tres investigadores (por los trabajos realizados en las décadas 1960 y 1970):

al estadounidense de origen japonés Yoichiro Nambu,por el descubrimiento del mecanismo de la ruptura espontánea de la simetría en la física subatómica”,

y a sus colegas  japoneses Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa.por el descubrimiento del origen de la simetría rota que predice la existencia de al menos tres familias de quarks en la naturaleza”.

 

Los trabajos de Yoichiro Nambu le permitieron explicar aspectos relacionados con la fuerza entre quarks dentro de los nucleones.

También propuso la carga de «color» para los quarks.

Yoichiro
protón
Neutrón
Imagen de un protón
Imagen de un neutron

A principios de la década de 1970, sólo se conocían tres quarks: u (up, arriba), d (down, abajo) y s (strange, extraño). Se había pronosticado la existencia de un cuarto quark, el quark c (charm, encanto), el cual efectivamente fue descubierto en el año 1974.

Kobayashi y Maskawa dedujeron que para que la simetría CP se rompiera en las interacciones subatómicas era necesario que en la naturaleza existieran al menos tres familias de quarks: en total, seis quarks.

También predijeron la existencia de otros dos quarks: el quark b (bottom, fondo) y el quark t (top, cima). Efectivamente, en el año 1977 se comprobó la existencia del quark b; y en el año 1995 se descubrió el quark t.

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