2008 Nobel Prize in Physics: El Nobel en Física ¿a quién concedérselo que no sea Peter Higgs?

Este año ha sido el año de la finalización del LHC del CERN, el año del inicio de la búsqueda del bosón de Higgs y los premios Nobel (léase “nobél”) de Física no podían estar fuera de esta tormenta mediática. ¿A quién premiar? Obviamente a investigadores relacionados con la ruptura espontánea de la simetría (el bosón de Higgs es resultado de este proceso) y con la generación de masas a las partículas elementales como los quarks (“algún” bosón de Higgs se cree que es responsable de este proceso). ¿Se le puede premiar a Higgs, a Goldstone, o a Englert y Brout? No, porque todavía no se ha descubierto el bosón (tienen que esperar a que el LHC o el Tevatrón lo descubra). ¿A quién premiar entonces? ¿A los que aplicaron la ruptura de simetría por primera vez en el Modelo Estándar? No, ya recibieron el premio Nobel de 1979 Weinberg, Salam y Glashow por sus contribuciones a la fuerza débil. ¿A los que demostraron la renormalizabilidad de esta teoría? No, ya recibieron el premio Nobel de 1999 ‘t Hooft y Veltman. ¿A quienes completaron el modelo estándar con la teoría de los quarks? No, ya recibieron el premio Nobel de 2004 Gross, Politzer y Wilczek. ¿Entonces a quién le podemos dar el premio Nobel?

Supongamos que se le quiere dar el Nobel a físicos que hayan trabajado en el desarrollo teórico y/o experimental del Modelo Estándar de partículas elementales, en este el año del LHC. ¿A quién premiar este año? La primera decisión es elegir a físicos experimentales o a físicos teóricos. En el primer caso habría que pensar en el descubrimiento del quark top (cima) en el Fermilab (aunque quizás el premio llegaría un poco tarde). El segundo caso es más difícil porque hay muchos científicos a los que se les puede conceder el premio Nobel de física por sus contribuciones teóricas al Modelo Estándar. Haciendo cuentas, tenía que caer un premio a físicos que hayan desarrollado avances importantes en la teoría de los quarks (la cromodinámica cuántica). Hay muchos candidatos. Muchos físicos con grandes posibilidades y cuyas contribuciones están en todos los libros de texto sobre teoría cuántica de campos.

Las teorías matemáticas de simetría que se utilizan en teoría cuántica de campos (teorías de Yang-Mills) que subyacen al Modelo Estándar y a la teoría de quarks en particular requieren que estas partículas no tengan masa. Pero los quarks “aparentan” tener masa. Nadie ha aislado un quark y ha medido su masa en reposo, aunque todos los experimentos actuales parecen indicar que tienen masa en reposo no nula, nadie sabe exactamente cuánta es. El descubrimiento de que el quark top (cima), el más pesado, tiene una masa decididamente diferente de cero (algo hoy en día indiscutible) ratificó que los quarks “deben tener” masa en reposo no nula (aunque no sepamos calcularla). ¿Por qué los quarks tienen masa? El proceso todavía no se entiende (hasta que se encuentre en bosón de Higgs o lo que lo sustituya no se logrará), pero lo que queda claro que las ideas que se barajan para darle masa a los fermiones (electrones y neutrinos) podrían ser también aplicables a los quarks. La idea básica es la ruptura espontánea de la simetría (teorizada a alta energía) que hace que a baja energía, con la simetría rota, observemos estas partículas con masa. Este proceso ya se observó en la teoría de la superconductividad y su aplicación a las teorías cuánticas de campos corrió a cargo de Yoichiro Nambu, motivo por el que ha recibido el premio Nobel en Física de 2008.

Los trabajos de Nambu fueron la base para los trabajos de Goldstone, en los que se basaron tanto Englert y Brout, como Higgs, independientemente (si se descubre el bosón de Higgs, entre estos cuatro investigadores estará otro Nobel). De hecho, fue el propio Nambu el que llamó a la partícula “bosón de Higgs” en lugar de “bosón de Englert-Brout-Higgs”, que hubiera sido un nombre, históricamente, más apropiado (los bosones de Goldstone son algo “ligeramente” distinto). Volviendo a Nambu, he de indicar que es un gran teórico y a estas alturas de su vida (nació en 1921) ha realizado grandes contribuciones a la física teórica (por ejemplo, en la gran “denostada” teoría de cuerdas).

¿Es el mecanismo de ruptura de simetría (la violación de la simetría CP) la que dota de masa a todos los fermiones (quarks, electrones, neutrinos)? Realmente nadie lo sabe. Pero todos “creemos” saberlo. Si no fuera así la sorpresa sería mayúscula (el LHC del CERN nos dará la respuesta en unos 3 años). Lo dicho, si el mecanismo de ruptura de la simetría es el responsable de dotar de masa a los quarks, eso significa que los “estados cuánticos” de estas partículas a alta energía (soluciones simétricas) pueden combinarse para obtener los “estados masivos” de estas partículas a baja energía (soluciones con simetría rota). La combinación más sencilla sería de uno a uno (pero no es lo que observamos, hay varias generaciones de fermiones, por lo que debe haber algún tipo de mezcla). Lo más sencillo para esta mezcla es suponer que haya una relación lineal entre esos dos tipos de estados, es decir, hay una matriz (unitaria) que relaciona ambos tipos de estados. Esta matriz es la matriz de Kobayashi-Maskawa, es la que instancia dicha relación y por la que estos dos investigadores japoneses, Kobayashi (1944-) y Maskawa (1940-) han compartido la otra mitad del premio Nobel de Fïsica de 2008.

¿Simetría CP? ¿Qué es eso? En las teorías cuánticas de campos relativistas, la invarianza relativista “obliga” a que estas teorías cumplan tres leyes de invarianza básicas: la simetría ante inversiones temporales (T), que la teoría es válida tanto si el tiempo avanza hacia el futuro como hacia el pasado, la simetría ante inversiones especulares (P), que el mundo de Alicia antes y después de cruzar el espejo tiene las mismas leyes físicas, y la simetría entre partículas de materia y antimateria, invarianza de conjugación de carga (C). Todas las teorías cuánticas relativistas “razonables” deben cumplir el “sacrosanto” de la invarianza conjunta CPT. ¿Pero qué pasa con las simetrías “simples” P, T, C, PT, CP, o CT? La fuerza nuclear débil, responsable de las interacciones en las que intervienen neutrinos, viola la paridad (simetría P), por lo que los teóricos Yang y Lee recibieron el premio Nobel de Física en 1957. ¿Qué implicaciones teóricas tendría que se violara, por ejemplo, la simetría combinada CP? En esto estaba trabajando Nambu alrededor de 1960. Y por ello ha recibido el Nobel. ¿Cómo podría desarrollarse ese mecanismo? Gracias a un campo que podría tener “remanentes”, partículas que pudieran ser observadas, como el bosón de Higgs.

El Higgs todavía no ha sido observado ni ningún otro bosón escalar que “medie” en la ruptura de la simetriá. ¿Qué otras consecuencias experimentales puede tener la violación de la simetría CP? Ciertas desintegraciones de partículas (mesones) estarían prohibidas si la simetría CP no se violara. En 1964, Cronin y Val Fitch descubrieron experimentalmente que la desintegración del mesón K violaba la simetría CP (en 2001 se descubrió que los mesones B también la violan, había evidencia desde 1999). Los teóricos de finales de los 1960s empezaron a entender que quizás la causa de que el universo nos muestre sólo materia y no antimateria (por partes iguales se tuvieron que crear tras la Gran Explosión) también podría estar relacionada con la violación de la simetría CP. A principios de los 1970s una nueva teoría de la fuerza nuclear fuerte empezaba a ser considerada, una teoría que se basaba en la existencia de unas hipotéticas partículas llamadas quarks. Si la simetría CP se violaba tenía que haber varias generaciones de quarks (como las había de los electrones, entonces se conocían dos, el electrón y el muón). Esto fue lo que estudiaron en 1972, Kobayashi y Maskawa, quienes desarrollaron la teoría cuántica de campos con simetría rota para estas generaciones de los quarks. En aquella época sólo se conocían dos generaciones (de electrones y de quarks). El trabajo de estos japoneses demostró que la consistencia de la teoría requería que existiera una tercera generación, aún por descubrir. Y no tardó en ser descubierta (primero con el descubrimiento del tercer electrón, alrededor de 1974, y luego con el descubrimiento del quinto quark, bottom, en 1977). Hoy, su trabajo es fundamental para estudiar las tres generaciones de quarks que han sido observadas (no para entender por qué hay sólo tres, ese es otro problema aún no resuelto). La existencia de generaciones de partículas elementales es uno de los pilares fundamentales del Modelo Estándar actual.

No os aburro más. Enhorabuena a los premiados, en especial a Nambu, que con sus casi 88 años ya estaría perdiendo la esperanza de recibir el Nobel, obviamente relacionado con el bosón de “moda”. ¿Por qué lo digo? Porque el año en el que se enciende el LHC no se han podido realizar las primeras colisiones por un problema técnico “menor” con lo que el descubrimiento del Higgs se retrasará por lo menos hasta 2011.

Sitio oficial del Premio Nobel de Física 2008.

Artículos Premiados:

Title: CP-VIOLATION IN RENORMALIZABLE THEORY OF WEAK INTERACTION Author(s): KOBAYASH.M; MASKAWA, T Source: PROGRESS OF THEORETICAL PHYSICS Volume: 49 Pages: 652-657 Published: 1973 Times Cited: 3,232

Title: DYNAMICAL MODEL OF ELEMENTARY PARTICLES BASED ON AN ANALOGY WITH SUPERCONDUCTIVITY .1. Author(s): NAMBU, Y; JONA-LASINIO, G Source: PHYSICAL REVIEW Volume: 122 Pages: 345-358 Published: 1961 Times Cited: 2,869

Title: DYNAMICAL MODEL OF ELEMENTARY PARTICLES BASED ON AN ANALOGY WITH SUPERCONDUCTIVITY .2. Author(s): NAMBU, Y; JONA-LASINIO, G Source: PHYSICAL REVIEW Volume: 122 Pages: 345-358 Published: 1961 Times Cited: 1,292

Nota: Giovanni Jona-Lasinio, coautor del artículo más citado de Nambu, es un físico-matemático italiano. ¿Qué pensará por no haber recibido el Nobel? Nambu es mucho más famoso e importante, pero ¿él no ha pintado nada en dichos artículos? En honor a la verdad, en dichos artículos de Nambu y Jona-Lasinio se menciona que la idea original es de Nambu que ya publicó una versión más limitada en la misma revista Yoichiro Nambu, “Quasi-Particles and Gauge Invariance in the Theory of Superconductivity,” Phys. Rev. 117: 648-663, 1960 , pero que ha citado muchas veces menos (menos de 700 veces).


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