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Introducción de la Dra. Ana Laura Serra El Modelo Estándar de la Física de Partículas es una teoría que describe tres de las cuatro las interacciones fundamentales conocidas y el comportamiento de las partículas elementales que componen toda la materia del universo. Desarrollada durante los años setentas, es consistente con la Relatividad Especial y con la Mecánica Cuántica; pero no alcanza a ser una teoría completa debido a que no incluye a la gravedad ni tampoco predice las hipotéticas materia oscura y energía oscura. Para darnos una explicación más detallada de este modelo, su estado actual y limitaciones, Magazine de Ciencia se reúne con el Dr. Ricardo Néstor Piegaia, quien se licenció en el año 1981 en Ciencias Químicas en la Universidad de Buenos Aires. En 1983 obtiene su Master en Ciencias Físicas y en 1987 su Doctorado en Física en los EEUU en la Universidad de Yale. En 1984 se desempeña como Asistente de Investigación en la misma institución y en 1989 como Investigador Invitado en el Fermilab. En el año 1992 trabaja como Científico Asociado en el Laboratorio de Física de Partículas CERN en Suiza y nuevamente en 1994 en la Universidad de Yale. Entre 1996 y 2006 es Investigador Invitado en varias ocasiones en el Fermilab. Actualmente es Profesor Titular del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires y es Investigador Científico del CONICET en física experimental de partículas elementales.
Transcripción de la entrevista
Eventos importantes en física de partículas
A lo largo del siglo XX fueron apareciendo nuevas partículas y hay diversos momentos importantes. Un momento importante para mí es 1930-1931, en que la física teórica juntando la Cuántica con la Relatividad había predicho que a cada partícula le corresponde una antipartícula. Una predicción ciertamente original e inesperada donde antipartícula en ese momento sonaba algo muy esotérico, hoy antipartícula es algo que está completamente incorporado en la vida de los científicos incluso en la medicina. Antipartícula quiere decir una partícula que, cuando una partícula y una antipartícula se juntan se pueden aniquilar las dos, o a su vez se pueden crear las dos al mismo tiempo. Y en particular Dirac juntando la Cuántica y la Relatividad predijo que existía la antipartícula del Electrón que le dio un nombre llamado Positrón y un año o dos años después esa partícula fue encontrada experimentalmente dándole mucha credibilidad a esta teoría de Dirac. Entonces la aparición de las antipartículas en el mundo de las partículas elementales fue un momento muy importante. Es interesante contar que hoy día las antipartículas no solo aquí en los laboratorios de la facultad trabajamos comúnmente con ellas sino que por ejemplo se le inyecta antipartículas a una persona para que esas antipartículas se aniquilen con partículas del cuerpo y poder por ejemplo detectar dónde hay un cáncer, es una tecnología que se llama PET: Tomografía por Emisión de Positrones, donde justamente el Positrón es la antipartícula del Electrón la que en 1930 predijo Dirac que existía. Entonces, la primera es la aparición de las antipartículas, lo segundo fue que cuando se empezaron a fabricar detectores de partículas y se llevó esas partículas a altura, ya sea a las montañas o en vuelos en globo, se empezaron a detectar nuevas partículas que provenían del cielo, básicamente hoy en día se llaman rayos cósmicos, y esas partículas se empezó a descubrir que no sólo estaban el protón el Neutrón, el Electrón y sus antipartículas, Antiprotón, Antineutrón y el Positrón, sino que empezó a aparecer un conjunto muy grande de nuevas partículas que se veían en detectores no a nivel de superficie sino en la altura, de hecho una de esas partículas es muy importante se llama el Pión y es interesante que el Pión fue descubierto en Bolivia fue descubierto en un laboratorio que se llama Chacaltaya que está como a 5000 metros y llevando detectores de partículas a esas alturas vieron que los rayos cósmicos o sea las partículas que nos vienen del cielo contenían una nueva partícula que a nivel de superficie no se encontraba y que se llamo el Pión. Entonces la aparición de estas nuevas partículas hasta ese momento llamadas elementales, estoy hablando en 1940-1950, es otro momento importante de la física de partículas. El siguiente paso importante es 1950 avanzado, 1960 cuando se propuso el modelo de Quarks, el modelo de Quarks surgió ante la necesidad de explicar una paradoja y era que estas partículas que se encontraban en los rayos cósmicos eran cada vez más y más partículas. Llegó un momento en el cual primero eran cientos y luego eran miles de partículas elementales que se conocían. Se llegó a una situación en que claramente no era aceptable que haya miles de partículas elementales. Tres partículas elementales uno puede aceptar, miles de partículas elementales por posición filosófica ya claramente no era posible, entonces para fin de 1950 hubo un modelo que lo propusieron Gell-Mann y Zweig en el cual propusieron la existencia de tres partículas llamadas Quarks con lo cual se explicaban todas esas nuevas partículas que se estaban descubriendo y ese es otro momento importante, un momento de reducción importante y de comprensión de la naturaleza. Uno dice que esta comprendiendo la estructura de la materia cuando de repente logra explicar la existencia de miles de partículas a partir de tres partículas, entonces uno dice estoy entendiendo. Otro momento importante es lo que se llama el desarrollo de algo que supongo vamos a hablar después que se llama el Modelo Estándar, que es la teoría que describe la interacción entre las partículas elementales y es una teoría que hoy en día sigue siendo válida y que logró explicar justamente la interacción entre todas estas partículas elementales que se han ido descubriendo. Y el siguiente momento que yo diría del siglo XX es con la construcción de los grandes aceleradores de partículas en los cuales se pudo medir con gran precisión las predicciones del Modelo Estándar y se encontró que todas esas predicciones estaban satisfechas y en particular partes de esas predicciones es la existencia de ciertas partículas como por ejemplo en 1995 que se descubrió el Quark Top, una de las predicciones del Modelo Estándar o ahora en 2013 en el cual se descubrió el Higgs otra de las predicciones del Modelo Estándar. Con lo cual las predicciones del Modelo Estándar quedan completamente verificadas. Entonces, es interesante que el siglo XX es realmente la historia del modelo de las partículas elementales porque la primera de las partículas elementales el Electrón se descubrió al final del siglo XIX, 1897 si mal no me acuerdo, o sea albores del siglo XX y a los fines del siglo XX se terminaron de descubrir las últimas de las partículas elementales tal como las describe el Modelo Estándar.
Un zoo de Partículas
Justamente, ese zoológico de partículas que eran los miles de partículas, se propusieron distintos modelos teóricos a lo largo del tiempo en los años 50 a 60. Algunos de ellos fallaron, o sea es muy común en la física que uno propone un modelo para explicar lo que ya se conoce, ese modelo hace nuevas predicciones, uno hace experimentos para medir esas predicciones y si esas predicciones fallan la teoría se tiene que abandonar por más que explicaba los hechos experimentales conocidos previamente. Una de esas teorías fue justamente la teoría de Quarks que en particular fue una de la mas tirada de los pelos y que al principio fue recibida con escepticismo porque lo que se proponía que había tres partículas que tenían carga fraccionaria; carga fraccionaria quiere decir que tenían una fracción de la carga del Electrón y hasta ese momento no se conocía ninguna partícula que tenga una fracción de la carga del Electrón, por lo tanto una hipótesis completamente inesperada. Pero resultó que esa teoría hacia predicciones, como toda teoría, pero cuando se busco experimentalmente la verificación se encontró que se verificaba, o sea esa teoría postuló que con la existencia de tres Quarks se explicaban ese enorme zoológico de partículas que se habían encontrado pero predecía la existencia de nuevas partículas que no se habían encontrado hasta ese momento; y estas partículas se buscaron y se encontraron. Entonces esto es un buen ejemplo de la forma de trabajo que hay en física en general el entrejuego entre teoría y experimento. Teníamos un hecho experimental sorprendente, se postulo una teoría, también sorprendente para explicar esos hechos experimentales, esa teoría hace predicciones se hace un experimento y se encuentra que esas predicciones son validas, entonces eso le da credibilidad, nos da confianza que esa teoría es correcta, entonces en particular el modelo de Quarks sobrevive hasta hoy porque no solo logró explicar aquello para lo cual fue propuesto sino que predijo la existencia de nuevas partículas, esas partículas se buscaron y se encontraron.
El Modelo Estándar
Las partículas elementales tienen distintas características, distintas propiedades; la primer propiedad es la carga eléctrica, y las partículas que tienen carga eléctrica son la que interactúan entre sí por lo que llamamos la interacción electromagnética. Y a su vez las partículas tiene otro dos tipos de carga distinta que se llama carga débil y carga fuerte, que indica que la partícula interactúa por lo que se llama la interacción débil y lo que se llama la interacción fuerte. El Modelo Estándar es una teoría que logró describir en forma conjunta estas tres interacciones, y de hecho se construyó de a poco porque en realidad, así como en el siglo XIX se había descubierto la electricidad y el magnetismo, la electricidad como la interacción entre partículas con carga y el magnetismo entre los imanes que sienten entre sí, luego se descubrió que en realidad era una única fuerza, eran manifestaciones distintas de una misma interacción que llamamos Electromagnetismo, de la misma manera el Modelo Estándar lo que mostró es que la fuerza eléctrica y la fuerza débil en realidad son manifestaciones de una única fuerza llamada electrodébil y junto con la fuerza fuerte forman un único conjunto de interacciones que es lo que describe el Modelo Estándar. Entonces, el Modelo Estándar es la teoría que logra describir tres de las interacciones que tienen las partículas entre si. Hay una cuarta propiedad que tienen las partículas que es la masa que indica cuál es la interacción gravitatoria que tienen; esa interacción no forma parte del Modelo Estándar.
Familias de partículas
Lo que llama la familia de las partículas elementales es por razones históricas porque hoy en día ya sabemos que no son elementales, por ejemplo el Protón forma parte de la familia de los Bariones y sabemos que no es una partícula elemental porque está compuesta de Quarks, sin embargo se la sigue llamando familia de las partículas elementales; entonces las partículas elementales se clasifican según el tipo de interacción que tienen. Tenemos las partículas que interactúan por la fuerza fuerte; las partículas que interactúan por la fuerza fuerte se llaman Hadrones, el Protón, el Neutrón, el Pión, son Hadrones. Por supuesto estas partículas tienen la característica que interactúan por la fuerza fuerte pero también interactúan por la fuerza débil y por la fuerza electromagnética. Luego tenemos las partículas que no interactúan por fuerza fuerte pero si interactúan por fuerza débil que se llaman los Leptones. Entonces las 2 familias importantes de las partículas elementales son los Hadrones y los Leptones. Los Hadrones a su vez se sub-clasifican en 2 que se llaman Bariones y Mesones. La razón de la sub-clasificación es que los Mesones pueden destruirse, pueden desaparecer y ser creados a voluntad, mientras que los Bariones tienen la característica que tienen que conservarse, o sea, si un Barión tiene que desaparecer tiene que aparecer otro Barión que lo reemplace, el número total de Bariones tienen que mantenerse constante. Entonces por ejemplo, si bien puede fabricarse 2 Mesones o 3 Mesones o 4 Mesones, Mesones son por ejemplo los Piones, no pueden fabricarse 2 Protones, se tiene que fabricar un Protón y un Antiprotón porque el Protón es como que fuera el Barión y el Antiprotón es como si fuera el Antibarión; o si un Neutrón que por ejemplo que es un Barión decae tiene que decaer en el Protón que es otro Barión y donde el número de Bariones se conserva; entonces básicamente la clasificación es Hadrones y Leptones por un lado, Hadrones interactúan por fuerza fuerte, Leptones no, y luego dentro de los Hadrones que interactúan por la fuerza fuerte están aquellos que pueden destruirse a voluntad y aquellos que su número tiene que conservarse.
Las partículas elementales
Entonces el modelo de Quarks justamente lo que propuso es que los Hadrones o sea los Bariones y los Mesones, no son en realidad partículas elementales si no que están compuestas de otras partículas. En cambio los Leptones, que en ese momento se pensaban que eran elementales, hoy en día seguimos pensando que son elementales. Con lo cual los Leptones sobrevivieron a la clasificación de familia de partículas a componentes del Modelo Estándar, mientras que los Bariones y los Mesones desaparecen de la clasificación de partículas elementales y son reemplazados por los Quarks de los cuales están compuestos, entonces hoy en día tenemos que las partículas del Modelo Estándar son: los Quarks, los Leptones y los Bosones. Los Quarks son las partículas justamente que componen los Hadrones y son partículas que interactúan por la fuerza fuerte, débil y electromagnética, los Leptones en cambio interactúan por la electromagnética y la débil, pero no por la fuerte, y a su vez los Bosones son las partículas responsables de esas interacciones, los Leptones a su vez se clasifican en los Leptones que tienen carga eléctrica, los Leptones cargados y los Leptones no cargados, los Leptones no cargados son los Neutrinos. Entonces cuando uno dice Neutrino, Neutrino es sinónimo de Leptón sin carga eléctrica mientras que los Leptones con carga eléctrica son: el Electrón, el Muón y el Tau.
Generaciones de partículas
Una cosa importante es aclarar que estas partículas elementales que estamos mencionando se clasifican a su vez en familias o en generaciones, en el siguiente sentido: existen 2 Quarks y 2 Leptones, los 2 Quarks son el Quark u y el Quark d y los 2 Leptones son el Electrón y el Neutrino Electrónico, entonces en total tenemos 4 partículas elementales, y luego existe como una generación, una nueva familia, que reproduce a estas 4 pero versiones más pesadas de ellas o sea hay una versión más pesada del Quark u que se llama el Quark c, hay una más pesada del Quark d que se llama el Quark s, una más pesada del Electrón que se llama el Muón y una más pesada del Neutrino Electrónico que se llama Neutrino Muónico; como una copia de esas 4 que tienen las mismas características pero tienen más masa; y luego una tercera generación que de nuevo reproduce esas 4 pero con más masa todavía. Entonces en total tenemos de estas partículas 12, porque tenemos las 4 que mencioné y su generación más pesada y su tercer generación más pesada o sea 4 x 3 = 12, entonces tenemos 12 partículas, 6 Leptones, 6 Quarks y por otro lado 4 Bosones que son los responsables de las interacciones entre sí.
Antipartículas
Dentro de esta familia están a su vez las antipartículas de cada una de ellas, o sea, tenemos los Antileptones y los Antiquarks. En general los físicos de partículas cuando hablamos de partículas elementales nos olvidamos de antipartículas porque cada partícula viene con su antipartícula directamente entonces cuando decimos el Electrón, el Muón y el Tau automáticamente tenemos en la cabeza que existe el Antielectrón, el Antimuón y el Antitau; y cuando decimos el Quark u y el Quark d automáticamente existe el Antiquark u y el Antiquark d. Entonces cuando decimos que existen 6 Leptones y 6 Quarks, existen los seis Antileptones y los 6 Antiquarks. Al punto tal que estamos completamente acostumbrados a decir que son estas 12 partículas, pero en realidad son sus 12 antipartículas también que vienen siempre acompañándolas. En los Bosones en cambio la cuestión es más complicada, en los Bosones tenemos el Fotón y tenemos el Gluón que son su propia antipartícula, o sea no existe una antipartícula distinta de ellas. En cambio hay otros 2 Bosones llamados Bosones W que uno la antipartícula del otro. En ese sentido en los Bosones la situación de antipartículas es un poquito más complicada. Pero en Quarks y en Leptones es simple porque cada uno de ellos tiene su antipartícula.
Los Bosones
Las partículas elementales que describí recién uno las puede a su vez clasificar en Bosones y Fermiones. Bosones y Fermiones es una definición que proviene de antes de las partículas elementales que se refiere a una propiedad que tienen las partículas relacionadas a cómo giran ellas. Se llama impulso angular al movimiento de una partícula cuando está girando, uno puede decir que una partícula que está girando así tiene un impulso angular, y si gira en la dirección contraria tiene un impulso angular opuesto. Y lo que sabemos los físicos es que las partículas elementales giran sobre sí mismas, algunas más, algunas menos y algunas nada. El Spin es la forma cuantitativa que tenemos de describir cuánto giran respecto de si mismas, las que no giran nada se llaman Spin 0 las que giran un poco mas Spin 1/2, las que giran más aún se llaman Spin entero o Spin 1. Los Quarks y los Leptones que mencioné antes son Fermiones porque tienen Spin 1/2; los Bosones que mencioné el Z el W el Gluón y el Fotón tienen Spin 1. Son las partículas responsables de las interacciones, qué quiere decir eso. Si hay 2 partículas que se están acercando pueden repelerse entre sí o 2 partículas que se acercan pueden atraerse, interactuar quiere decir repelerse, atraerse, que el movimiento de uno afecta el movimiento del otro. El Modelo Estándar explica esa interacción a través del intercambio de partículas, entonces cuando por ejemplo vienen 2 electrones viajando y esos electrones se repelen, el Modelo Estándar lo que explica es que un Electrón emite un Fotón, al emitir el Fotón se desvía y ese Fotón es absorbido por el otro Electrón que viene, absorbe el Fotón y a su vez se desvía. De la misma manera la interacción de un Fotón puede explicar la atracción entre partículas. Entonces, la interacción entre partículas el Modelo Estándar la explica mediante el intercambio de partículas, y las partículas que se intercambian en las interacciones son justamente los Bosones. Cuando la partícula que se intercambia es el Fotón, decimos que la interacción que tenemos es la electromagnética. Cuando la partícula que se intercambia es el Gluón decimos que tenemos interacción fuerte, cuando la partícula que se intercambie es el W y el Z decimos que tenemos interacción débil. Entonces, estos 4 Bosones que completan las partículas elementales son las responsables de las interacciones, la interacción entre los Fermiones es justamente el intercambio de Bosones entre ellos.
Magnitudes y constantes del Modelo Estándar
El Modelo Estándar necesita conocer la masa de las distintas partículas para poder hacer predicciones acerca de cómo van a ser las interacciones, de la misma manera necesita saber cómo es la probabilidad de que un Electrón interactúe con un Fotón, de que el Electrón interactúe con el W o de que un Quark interactúe con el Gluón. Entonces el Modelo Estándar tiene un conjunto de constantes que es necesario medirlas experimentalmente, el propio Modelo Estándar no las predice y que se necesitan esas magnitudes para poder realizar predicciones con el Modelo Estándar. Ese conjunto de magnitudes son en total 19 y precisamente uno de los problemas que tienen Modelo Estándar a lo cual vamos a venir después, es que no es elegante una teoría que necesita de 19 números puestos casi digamos caprichosamente para poder realizar predicciones con él, sin embargo para que se entienda de todas maneras por qué los físicos estamos tan maravillados con Modelo Estándar, es que el Modelo Estándar hace miles de predicciones. Entonces lo que quiere decir eso es que con los 19 números, las 19 magnitudes que es necesario medir experimentalmente porque el Modelo Estándar las necesita pero no las predice, con esos 19 números logramos luego predecir miles de mediciones en los cuales teoría y experimento están de acuerdo.
Electrodinámica y Cromodinámica Cuántica
El Modelo Estándar describe tres interacciones, cada una de esas interacciones la describe como lo que se llama la teoría de gauge. Las teorías de gauge se basan en simetrías y las simetrías del Modelo Estándar corresponden a lo que se llama U(1), SU(2) y SU(3) que no son más que un nombre para indicar distintos tipos de simetría. Entonces cuando uno a las partículas elementales le aplica lo que se llama la simetría U(1) obtiene lo que se llama la Electrodinámica Cuántica, cuando le aplica la SU(3) obtiene lo que se llama la Cromodinámica Cuántica. La Cromodinámica Cuántica, está modelada en la Electrodinámica Cuántica, como una versión más compleja de ella. La Electrodinámica Cuántica describe las interacciones de las partículas cargadas. Las partículas tienen carga o tienen anticarga. Pero hay un único tipo de carga y su anticarga. A su vez las partículas tienen otra propiedad denominada color, que a diferencia de la carga, no es que pueden tener color o anticolor, sino que pueden tener tres tipos de colores distintos donde el nombre color es fantasioso, no es que tienen color, es una manera de llamar a esta propiedad y pueden tenerlo, el estado de color puede ser lo que llamamos rojo verde o azul y por supuesto antirojo, antiverde y antiazul. Es como una carga, de hecho se llama la carga fuerte, que puede tener tres valores distintos a diferencia de la carga eléctrica que puede tener un único valor, o sea tener carga eléctrica o no tener carga eléctrica. La Cromodinámica Cuántica es simplemente extender la Electrodinámica Cuántica de una a tres cargas. Lo curioso es que justamente esa extensión describe lo que se llama la fuerza fuerte y la Electrodinámica describe a la fuerza Electromagnética y esto está en la base de la unificación del Modelo Estándar. Justamente el Modelo Estándar, se dice que unifica las fuerzas porque, así como la Electrodinámica se basa en una única carga, la extensión de la Electrodinámica a dos cargas es lo que da la fuerza débil y la extensión de la Electrodinámica a tres cargas es lo que da la Cromodinámica Cuántica. Se llama justamente Cromodinámica Cuántica por el hecho de que a la carga a la versión de tres valores de la carga eléctrica la llamamos carga de color, entonces en vez de llamarla Electrodinámica que es la dinámica asociada a la carga: "electro", es la dinámica asociada a la carga de color: "Cromodinámica". Y la razón por la cual se llama color es porque la manera que tiene, volviendo a la Electrodinámica, un sistema de tener carga 0 es juntando una partícula con carga positiva y una partícula con carga negativa y de esa manera se obtiene algo que tiene carga nula, carga neutra. El nivel de la carga de color hay dos maneras de obtener carga neutra. Una es juntando color con anticolor, hasta ahí es como el modelo de la carga eléctrica, es carga con anticarga, color con anticolor, pero existe un mecanismo adicional de obtener algo sin carga y es juntar igual cantidad de cada una de las tres cargas; es como decir que: dada una determinada cantidad de carga roja, una dada una determinada cantidad de carga verde y una dada cantidad de carga azul, nos da algo que no tiene carga de color y esa es la razón por la cual se le dió esta nomenclatura basándose en la televisión, en la televisión para obtener el blanco se mezclan iguales cantidad de rojo verde y azul y el blanco es algo no tiene color; entonces como cuando uno junte igual cantidad de las tres cargas obtiene algo que no tiene carga de color, a cada una de las cargas se le dio: rojo, verde y azul para indicar que la suma de las tres da algo sin color, o sea da algo blanco.
Teoría de campo gauge
La teoría de gauge es un modelo teórico que surgió durante el siglo XX que se basa en la extensión de simetrías de la naturaleza a la descripción de interacciones. Como mencioné antes la Cromodinámica Cuántica y el Electromagnetismo que son dos interacciones son ejemplos de teorías de gauge. La idea detrás de la teoría de gauge es que la naturaleza tiene ciertas simetrías que podemos llamar globales. Por ejemplo, el color que yo mencioné de los Quarks. Si nosotros cambiamos el color de todos los Quarks rojos y verdes entre sí, o sea, todos los Quarks rojos se transformen en verdes y todos los verdes se transformen en rojos simultáneamente en todo el universo nos queda exactamente lo mismo que estamos observando ahora, no tenemos manera de distinguir que esta pieza, esta charla, el universo en sí, así de repente se intercambian todos los Quarks rojos por verdes y los verdes por rojos, eso se llama simetría. Una transformación de la naturaleza que la deja invariante se llama una simetría. Ahora, eso lo que se llama una transformación global, yo bien dije que esta transformación hay que hacerlas en todo el universo al mismo tiempo. Eso claramente no tiene sentido porque yo no puedo hacer la misma transformación acá en la Luna o en una galaxia lejana. Si en cambio quiero hacer lo que se llama una transformación local, en el cual en una región yo cambio el color: intercambio el rojo y el verde pero en otra región, como por ejemplo en otra galaxia o en la Luna no hago ese intercambio, entonces la naturaleza no es invariante ante esa transformación, obtengo un universo que sería distinto. Lo que se dieron cuenta en el siglo XX es que esa simetría que tenía la naturaleza global podía extenderse a una simetría local si uno agregaba lo que se llama campos de gauge. Y se llama teoría de gauge a la teoría que surge de agregar estos Campos de gauge. Y la idea es que uno para lograr que esta teoría global siga valiendo a nivel local uno lo que inventa es que tiene que existir un campo adicional, un campo no es más que una propiedad del universo que toma distintos valores en distintos lugares del universo, un Campo Electromagnético es una propiedad del Campo Eléctrico que tiene distintos valores en distintos tiempos en distintos puntos, eso es lo que se llama un campo. Entonces los Campos de gauge son propiedades del universo que se propusieron, se postularon para conseguir que esta simetría global que tiene el universo valga también a nivel local. Hasta aquí puede parecer una disquisición teórica, pero lo que también se dieron cuenta es que esos Campos de gauge que se habían inventado para conseguir que una simetría global sea local, que hasta ahí sería digamos interés puramente teórico, describían esos Campos de gauge, describían interacciones. Y en particular lo que hoy día sabemos es que el Campo de gauge que logra que la teoría de color, que la simetría de color, pase de ser global a local es justamente lo que describe la interacción fuerte y que el Campo de gauge que hace que la simetría de carga global pase a ser local es el Campo Electromagnético. El interés entonces de los Campos de gauge es que al lograr que una simetría del universo pase de ser global a local se introduce una interacción en el universo y esa interacción puede o no existir, y ser una de las que se observa experimentalmente.
Campo de Yang-Mills
Yang-Mills son un caso particular de teoría de gauge en las cuales las simetrías del universo globales que se transforman en locales son simetrías unitarias, hay muchos tipos de simetrías posibles, en particular Yang y Mills lo que se dieron cuenta es que si uno le aplica el formalismo de gauge a unas simetrías que se llaman unitarias se obtienen interacciones que se observan en la naturaleza, en particular, respondiendo a la pregunta anterior dije que la Cromodinámica Cuántica corresponde a la simetría SU(3) y la Electrodinámica corresponde a la U(1), esos son dos ejemplos de simetrías unitarias que al transformarlas en Campos de gauge nos da lugar a las interacciones que observamos. Entonces los campos de Yang-Mills son ejemplos particulares de Campos de gauge.
Física de Neutrinos
Los Neutrinos son parte del Modelo Estándar; hay tres partículas llamadas Neutrinos, Neutrino Electrónico, Muónico y Neutrino Tau, tres de las doce partículas que mencioné antes que existen y tienen dos características importantes, una es que son las partículas más livianas del resto; livianas, mucho más livianas que el resto de las partículas elementales, eso es algo que no se sabe por qué son tanto más livianas. La segunda característica que tienen es que son partículas que no tienen carga eléctrica, no tienen carga de color. Por lo tanto no interactúan por Electromagnetismo, no interactúan por la fuerza fuerte, sólo interactúan por la fuerza débil. Son las únicas partículas que interactúan por la fuerza débil. Y como tal tienen una serie de propiedades que nos pueden dar señales nos pueden dar información sobre como continua la física más allá del Modelo Estándar. Los Neutrinos tienen una serie de propiedades entre las cuales se encuentra el de las oscilaciones y es que un Neutrino que se propaga y se está moviendo con cierta velocidad puede espontáneamente transformarse en otro de los Neutrinos, y luego en el tercero. Esa es una propiedad entendida pero dependiendo de la razón por la cual esto ocurre es que ahí uno puede favorecer o desfavorecer distintas posibles extensiones del Modelo Estándar. A su vez la razón por la cual los Neutrinos son tan livianos también puede estar relacionado con física más allá del Modelo Estándar. Una de las hipótesis por ejemplo es que existen, no tres Neutrinos, sino seis tipos de Neutrinos distintos y la razón por la cual los tres Neutrinos que observamos son tan livianos es a través de lo que se llama un mecanismo de sube y baja, que es el nombre, en inglés Seesaw, en el cual los seis Neutrinos que existen se reparten entre si de tal manera que tres de ellos tienen muy poca masa y tres de ellos tienen muy alta masa. Y entonces, por supuesto los únicos, no es que no existen los seis, sino que hasta ahora solo hemos observado los de menor masa porque no hemos podido realizar experimentos para encontrar los de mayor masa. El tema es que si existiera este mecanismo de sube y baja eso sería señal directa de existencia de física más allá del Modelo Estándar, más allá del modelo que hasta ahora describe todo lo que observamos. Entonces las mediciones de precisión con los Neutrinos son una de las ventanas que tenemos a posible descubrimiento de física más allá del Modelo Estándar. No es la única ventana, luego vamos a charlar de otras.
continúa en la segunda parte
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