En nuestro universo, el reflejo de la mano izquierda parece ser la mano derecha. La mayoría de las leyes de la naturaleza son simétricas con respecto a las imágenes de espejo y obedecen las mismas leyes, con la excepción de las interacciones débiles. Por alguna razón, solo las partículas zurdas interactúan débilmente, pero no las diestras.
Mueve tu mano en el espejo y tu reflejo te devolverá el saludo. Sin embargo, lo hará con la mano opuesta a la que estás usando. Para la mayoría de nosotros, esto no es un problema: podemos agitar la otra mano y el reflejo, a su vez, agitará lo contrario. Pero para el Universo, algunas interacciones funcionan solo para partículas zurdas, en particular, para partículas que experimentan interacciones débiles . Sus versiones del lado derecho, sin importar cómo miráramos, no se pudieron encontrar.
¿Pero por qué? ¿Dónde tiene el Universo tal cualidad y por qué se manifiesta solo en el caso de una interacción débil? Después de todo, las interacciones fuertes, electromagnéticas y gravitacionales son idealmente simétricas con respecto a las configuraciones del lado izquierdo y del lado derecho. Este hecho en la ciencia ha sido verificado en muchos experimentos, y ya se están preparando nuevos experimentos para una verificación aún más profunda. Y aunque está bien descrito por la física del Modelo Estándar, nadie sabe realmente por qué el universo funciona de esta manera. Esto es lo que sabemos hasta ahora.
Superar la barrera cuántica se denomina efecto túnel . Ésta es una de las extrañas propiedades de la mecánica cuántica. Las partículas cuánticas en sí mismas también tienen sus propiedades inherentes (masa, carga, espín) que no cambian después de las mediciones.
Imagínese a sí mismo como una partícula. Te estás moviendo en el espacio, tienes ciertas propiedades cuánticas, como masa y carga. Y también tiene no solo el momento angular con respecto a todas las partículas (y antipartículas) a su alrededor, sino también su momento angular interno con respecto a la dirección de su movimiento: giro . Tus propiedades, como las partículas, determinan completamente qué tipo de partícula eres.
Con sus manos, puede imaginar dos versiones de usted mismo: zurdo y diestro. Primero, apunte ambos pulgares hacia un lado, a cada lado, pero a uno. Aprieta el resto de tus dedos. Si ahora miras los pulgares para que estén dirigidos hacia ti, verás cómo se diferencian las espaldas: desde este punto de vista, todas las partículas zurdas "giran" en el sentido de las agujas del reloj [el giro se dirige contra el movimiento] y las diestras en sentido antihorario [el giro se dirige por movimiento].
La polarización para zurdos es inherente al 50% de los fotones, y la polarización para diestros es inherente al otro 50%. Cuando se crea un par de partículas (o un par de partículas-antipartícula), sus espines (su momento angular interno) siempre se resumen mientras se mantiene el momento angular total del sistema. No hay nada que pueda hacer para cambiar la polarización de una partícula sin masa como un fotón.
La mayoría de las veces, a los físicos no les importa tu giro: todas las leyes y reglas siguen siendo las mismas. La peonza obedece a las mismas leyes de la física, independientemente de si gira en sentido horario o antihorario. El planeta obedece las mismas reglas, gira alrededor de un eje a lo largo o en contra de la dirección del movimiento en órbita. Un electrón "giratorio" que pasa al nivel de energía más bajo en un átomo emitirá un fotón independientemente de la dirección de su giro. En casi todas las circunstancias, se dice que las leyes de la física son simétricas de izquierda a derecha .
La "simetría de espejo" es una de las tres clases fundamentales de simetría que se pueden aplicar a las partículas y las leyes de la física. En la primera mitad del siglo XX creíamos que siempre existían simetrías conservadas, tres de las cuales eran:
- La simetría de paridad espacial (P), según la cual las leyes de la física son las mismas para las partículas y para sus reflejos especulares.
- Simetría de carga ©, según la cual las leyes de la física son las mismas para partículas y antipartículas.
- Simetría con respecto a la inversión del tiempo (T), según la cual las leyes de la física no cambian dependiendo de si el sistema avanza o retrocede en el tiempo.
Según todas las leyes clásicas de la física, así como la relatividad general e incluso la electrodinámica cuántica, estas simetrías siempre se conservan.
La naturaleza no es simétrica para partículas / antipartículas, para reflejos especulares de partículas o todas estas propiedades a la vez. Antes del descubrimiento de los neutrinos que rompen la simetría especular, solo las partículas que interactúan débilmente eran potenciales interruptores de la simetría P.
Pero para asegurarse de que el universo sea realmente simétrico para todas estas transformaciones, debe probarlas de todas las formas posibles. El primer indicio de que algo andaba mal con esta imagen llegó en 1956, cuando detectamos neutrinos por primera vez de forma experimental. Esta partícula fue introducida en 1930 por Wolfgang Pauli en forma de un diminuto cuanto neutro capaz de transportar energía durante la desintegración radiactiva. Después de tal anuncio, Pauli, citado a menudo, se quejó: “He hecho algo terrible. Postulé la existencia de una partícula que no se puede detectar ".
Dado que se predijo que los neutrinos interactúan con la materia ordinaria, la sección transversal es insignificante, Pauli no vio una forma realista de detectarlos. Sin embargo, después de algunas décadas, los científicos no solo pudieron dividir el átomo: los reactores nucleares se convirtieron en algo común. Según la suposición de Pauli, estos reactores deberían producir grandes cantidades de antipartículas de neutrinos: antineutrinos. Se construyó un detector cerca del reactor nuclear y el primer antineutrino se descubrió en 1956, 26 años después.
Frederick Reines, a la izquierda, y Clyde Cowan, a la derecha, a los controles del experimento del río Savannah, donde se descubrió el antineutrino electrónico en 1956. Todos los antineutrinos son diestros y todos los neutrinos son zurdos, sin excepciones. Si bien el modelo estándar describe con precisión todo esto, no hay una razón fundamental para ello.
Sin embargo, se notó algo interesante sobre estos neutrinos: todos, sin excepción, eran diestros, su giro estaba dirigido a lo largo de su movimiento. Más tarde, también comenzamos a encontrar antineutrinos y descubrimos que todos eran zurdos, con giro hacia atrás.
Puede parecer que tales medidas son imposibles de realizar. Si los neutrinos (y antineutrinos) son tan difíciles de detectar porque rara vez interactúan con otras partículas, ¿cómo podemos medir sus espines?
El hecho es que aprendemos su giro no como resultado de mediciones directas, sino como resultado del estudio de las propiedades de las partículas que aparecen después de la interacción. Esto es lo que hacemos con todas las partículas que no podemos medir directamente, incluido el bosón de Higgs, la única partícula fundamental de espín cero conocida en la actualidad.
Canales de desintegración del bosón de Higgs: observados y predichos por el modelo estándar. Incluye los datos más recientes de los experimentos de ATLAS y CMS. Increíble coincidencia, pero también decepcionante. Para la década de 2030, el LHC habrá acumulado alrededor de 50 veces más datos, pero la precisión en muchos canales de desintegración aún se mantendrá en el nivel de un pequeño porcentaje. El nuevo colisionador podría aumentar la precisión en muchos órdenes de magnitud y posiblemente descubrir la existencia de nuevas partículas.
¿Cómo está hecho?
El bosón de Higgs a veces se descompone en dos fotones, cuyo espín puede ser +1 o -1. De ello se deduce que el espín del bosón de Higgs puede ser 0 o 2, ya que será la suma o diferencia de los espines de los fotones. Por otro lado, a veces el bosón de Higgs se descompone en un par de quark / antiquark, cada uno de los cuales tiene un spin de + ½ o –½. Sumarlos y restarlos da 0 o 1. Una de esas medidas no nos daría el giro del bosón de Higgs, pero juntas dejan solo un valor posible, 0.
Se han utilizado tecnologías similares para medir el giro de neutrinos y antineutrinos, y a la mayoría de los científicos les sorprende que el universo y su reflejo especular no sean lo mismo. Si coloca un espejo frente a un neutrino zurdo, su reflejo será diestro, como en el caso de la mano izquierda, que parece estar a la derecha en el espejo. Sin embargo, en nuestro Universo no hay neutrinos diestros, como tampoco hay antineutrinos zurdos. Por alguna razón, al universo le importa.
Si detecta un neutrino o un antineutrino moviéndose en una determinada dirección, verá que su momento angular interno gira en sentido horario o antihorario, dependiendo de si es un neutrino o un antineutrino.
¿Cómo comprender todo esto?
A los teóricos Li Zhengdao y Yang Zhenning se les ocurrió la idea de las leyes de paridad y demostraron que aunque la paridad parece ser una simetría perfecta, conservada en interacciones fuertes y electromagnéticas, no se ha probado adecuadamente en las débiles. Las interacciones débiles ocurren cuando, durante la desintegración, una partícula se convierte en otra: un muón se convierte en un electrón, un quark extraño en uno ascendente, un neutrón en un protón (cuando uno de sus quarks descendentes se desintegra y se convierte en uno ascendente).
Si se conservara la paridad, las interacciones débiles (todas y cada una) serían iguales para las partículas de la mano izquierda y la derecha. Pero si se viola, las interacciones débiles ocurrirían solo con partículas zurdas. Si tan solo fuera posible verificar esto experimentalmente ...
Wu Jianxiong, a la izquierda, es un físico experimental notable y sobresaliente. Hizo muchos descubrimientos importantes que confirmaron (o refutaron) varias predicciones teóricas importantes. Nunca recibió el premio Nobel.
En 1956, Wu Jianxiong tomó una muestra de cobalto-60, un isótopo radiactivo del cobalto, y lo enfrió hasta casi el cero absoluto. Se sabe que el cobalto-60 se convierte en níquel-60 durante la desintegración beta. Una interacción débil convierte uno de los neutrones del núcleo en un protón, durante el cual se emiten un electrón y un antineutrino. Al aplicar un campo magnético al cobalto, se pueden alinear los espines de todos los átomos.
Si se conservara la paridad, sería posible observar que los electrones emitidos, también conocidos como partículas beta, tendrían espines paralelos y antiparalelos. Si se violara la paridad, entonces todos los electrones emitidos serían antiparalelos. El tremendo resultado del experimento de Wu no fue solo que todos los electrones emitidos eran antiparalelos, sino que eran tan antiparalelos como era posible teóricamente. Unos meses más tarde Pauli escribió en una carta a Victor Weisskopf : "No puedo creer que Dios sea un zurdo débil".
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Sin embargo, solo las partículas zurdas están involucradas en la interacción débil, al menos a juzgar por nuestras mediciones. Al respecto, surge una pregunta interesante, sobre la que aún no hemos realizado mediciones: cuando los fotones participan en la interacción débil, ¿juegan un papel tanto los fotones zurdos como los diestros, o solo los zurdos? Por ejemplo, el quark bonito (b) se convierte en uno (s) extraño (s) en interacciones débiles, lo que generalmente ocurre sin la participación de fotones. Sin embargo, una pequeña fracción de b-quarks, menos de 1 entre mil, se convertirá sin embargo en un s-quark con la emisión de un fotón. El fenómeno es raro, pero puedes estudiarlo.
Se espera que dicho fotón siempre sea zurdo. Creemos que la paridad en el Modelo Estándar funciona así (rompiendo interacciones débiles). Pero si el fotón a veces resulta ser diestro, aparecerá otra grieta en nuestra comprensión actual de la física. Entre las predicciones de los resultados de tal decadencia se encuentran las siguientes:
- polarización inesperada de un fotón,
- el porcentaje de diferentes casos de caries que es diferente al esperado,
- violación de la invariancia CP .
Lo mejor de todo es que la colaboración del LHCb en el CERN puede estudiar estas oportunidades. Recientemente, simplemente establecieron el límite más estricto sobre la posibilidad de fotones diestros. Si el siguiente gráfico, como resultado de más experimentos, se curva de modo que deja de incluir el origen (0, 0), esto significa que hemos descubierto una nueva física.
Las partes reales e imaginarias de los coeficientes de Wilson para diestros (C7-prima) y zurdos (C7) en física de partículas deben permanecer alrededor del punto (0, 0) para que el Modelo Estándar siga siendo correcto. Las mediciones de varias desintegraciones que involucran b-quarks y fotones ayudan a imponer las restricciones más estrictas en estas condiciones. En un futuro cercano, la colaboración LHCb amenaza con tomar medidas aún más precisas.
Definitivamente podemos decir que el Universo es idealmente simétrico con respecto a las imágenes especulares, reemplazando partículas con antipartículas, la dirección del tiempo en la que se desarrollan los procesos, para todas las interacciones y fuerzas, excepto una. En interacciones débiles, y solo en ellas, estas simetrías no se conservan. Todas las medidas que hemos tomado muestran que Pauli se habría quedado perdido hoy. 60 años después del primer descubrimiento de la ruptura de la simetría, parece que las interacciones débiles están asociadas solo con partículas zurdas.
Dado que los neutrinos tienen masa, uno de los experimentos más asombrosos sería uno en el que pudiéramos acercarnos mucho a la velocidad de la luz. Luego adelantaríamos al neutrino zurdo para que su giro desde nuestro punto de vista cambiara al opuesto. ¿Una partícula exhibiría repentinamente las propiedades de un antineutrino diestro? ¿O se volvería diestro, pero aún se comportaría como un neutrino? Cualesquiera que sean las características que resultó tener, podría revelarnos nueva información sobre la naturaleza fundamental del Universo. Hasta ese día, nuestra mejor oportunidad para averiguar si el universo es realmente tan zurdo como nos parece serían las mediciones indirectas. Un experimento de este tipo está ahora en curso en el CERN, donde están buscando una desintegración beta doble sin neutrinos .