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La interacción electrodébil se puede considerar el primer gran paso para unificar las cuatro fuerzas de la naturaleza en una sola teoría. Fueron Steven Weinberg, Abdus Salam y John Ward quienes apuntaron a esta dirección durante los años 60 del siglo pasado.

Como hemos visto, la fuerza electromagnética se manifiesta tanto a nivel subatómico, por ejemplo entre electrones y protones, como en fenómenos a gran escala, del tipo de las ondas de radio o la propagación de la luz. Por su parte, la interacción nuclear débil es responsable de fenómenos como la radioactividad.

De la misma manera que en el Siglo XIX se comprobó que la electricidad y el magnetismo no eran más que caras de una misma fuerza (la electromagnética), Weinberg, Salam y Ward presentaron una teoría según la cual la fuerza débil y la electromagnética eran la misma manifestándose de diferente forma.

Esto no es tan fácil de imaginar como el caso del electromagnetismo, dado que no parece que tengan mucho que ver los efectos de una y otra. La clave la hallamos en los bosones de ambas fuerzas, veámoslo:

BOSÓN ELECTRODÉBIL O UNA RULETA

Conviene recordar que, según la mecánica cuántica, las fuerzas se manifiestan mediante un campo que se transmite a través de un intercambio de partículas, llamadas bosones, entre los objetos afectados. Estos objetos afectados son a su vez también partículas, que pueden estar aisladas o reunidas formando átomos, moléculas o cuerpos. Es decir, las partículas emiten otras partículas que transmiten la fuerza.

Es algo así como cuando golpeamos una bola de billar contra otra. La fuerza del palo de billar se transmite a la segunda bola mediante la primera. En este caso la bola intermedia haría el papel de bosón.

La fuerza electromagnética se transmite mediante un intercambio de los bosones llamados fotones, mientras que la débil lo hace intercambiando unos bosones de nombres ciertamente extraños: W+, W- y Z0 (esto último se lee “zeta cero”). La teoría electrodébil propuso que todas estas partículas son la misma en estados diferentes.

Es lo que se llama “ruptura de simetría espontánea”, una propiedad según la cual en estados de baja energía, tal como el que ahora mismo se da en el universo, hay una partícula que presenta estados diferentes y parece varias distintas. En el pasado el universo estaba más caliente, y a esa temperatura había simetrías tales (entendiendo por simetría lo que explicamos el mes pasado) que esa partícula solamente presentaba un estado. Hablamos de una temperatura de uno 1000 billones de grados.

Stephen Hawking, en su clásico libro “Historia del Tiempo”, propone un ejemplo para que nos podamos imaginar esto. Cuando una bola gira rápidamente sobre una ruleta, se encuentra en un estado de alta energía, y se comporta de una única manera: gira y gira continuamente. Poco a poco va perdiendo fuerza, es decir, pasando a un estado de baja energía, hasta quedar parada en uno de los 37 casilleros de la ruleta. Entonces, a bajas energías la bola tiene 37 estados diferentes, y si siempre la observáramos parada, cada vez en un casillero, podríamos pensar que hay 37 bolas diferentes.

Sin embargo, este modelo electrodébil presentó un problema desde el principio, y es que los bosones W+, W- y Z0 tienen una masa muy grande (claro está, dentro de la escala de las partículas), una masa docenas de veces mayores que la del protón, mientras que el fotón no tiene masa. ¿Cómo es posible que sean la misma partícula?

El entramado matemático que hay detrás de todo esto no podía funcionar en esas condiciones

CAMPO DE HIGGS O UNA PISCINA

Hubo que introducir un nuevo elemento nada esperado, y que redefinía nada menos que el concepto de masa. Weinberg, Salam y Ward, recurrieron a una vieja idea llamada “Campo de Higgs”.

En realidad el escocés Peter W. Higgs no fue el primero en estudiar este mecanismo ni quien más profundamente lo hizo, pero él se quedó con el honor de ponerle nombre. La idea consiste en imaginar que el vacío contiene un campo, y las partículas al hallarse dentro del mismo, interaccionan con él. Como resultado de esta interacción, algunas adquieren algo indistinguible de la masa. De hecho, habría que suponer que la masa de todas las cosas, desde un electrón hasta un planeta, tiene ese extraño origen.

Una propiedad de ese campo que los creadores del modelo electrodébil encontraron especialmente útil, es que sus efectos varían según la energía que contenga, y concretamente a partir de los 1000 billones de grados dejaría de afectar a los bosones W+, W- y Z0, pasando así a tener la misma masa que el fotón, es decir, ninguna.

Podemos poner otro ejemplo ilustrativo. Imaginemos una piscina llena de agua, en ella podemos meter objetos que se mojarán al entrar. El campo de Higgs sería el equivalente al agua de la piscina, y el “dar humedad a los objetos” de la piscina sería el equivalente a “dar masa a las partículas” del campo.

Siguiendo con la piscina, si esta se calienta lo suficiente, hasta los 100 grados centígrados, se convertirá en vapor de agua. Este vapor de agua “dará menos humedad” a los objetos que el agua líquida. Del mismo modo, el campo de Higgs, a partir de 1000 billones de grados centígrados variaría su modo de “dar masa a las partículas”, y algunas como los ya reiterados bosones W+, W- y Z0, no recibirán masa del campo en cuestión.

Así resolvieron el problema de las masas de los bosones, y de paso definieron de un plumazo lo que es la masa en sí.

Todo esto puede sonar extraño y ciertamente lo es, pero lo cierto es que con estos ingredientes la teoría de la unificación electrodébil funciona perfectamente a la hora de predecir resultados experimentales.

Sin embargo, como todo campo que se precie, y como manda la mecánica cuántica, el campo de Higgs debe poder también interpretarse como una partícula, la que se llamaría Bosón de Higgs, pero esta aún no ha sido detectada, aunque desde al año 2000 ha habido señales muy prometedoras. Este será sin duda uno de los puntos calientes de la física del siglo XXI.

Se encuentre o no el bosón de Higgs, la teoría que unifica las fuerzas electromagnética y débil cuenta con una elevada precisión, por tanto, cualquier posible teoría mejorada sobre estas dos fuerzas o sobre un conjunto mayor de ellas, habrá de incluir este modelo dentro de sí.

El mes que viene nos dedicaremos a la Fuerza Nuclear Fuerte y a la posible unificación con las dos que nos han ocupado en esta ocasión.

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