Sheldon Lee Glashow y el tortuoso camino hacia el modelo estándar de la física de partículas elementales

Sheldon Lee Glashow, Premio Nobel de Física de 1979, acaba de visitar España. El 1 de diciembre impartió una charla en el “V Campus de Excelencia” en Madrid (junto a otros 18 Premios Nobel). No pude asistir. Por lo que parece, prácticamente es la misma charla que ofreció en el CERN el 4 de diciembre con motivo de los “50 Years of Nobel Memories in High-Energy Physics” con título “Unification: Then and Now.” Nos cuenta en primera persona cómo se desarrolló el modelo estándar de las partículas elementales. La transcripción de la charla merece ser leída, permitidme abriros boca con algunos extractos.

El CERN nació en 1954, justo cuando Sheldon Lee Glashow empezaba su tesis doctoral en la Universidad de Harvard bajo la dirección de Julian Schwinger. En 1956, Schwinger le pidió que investigara la posibilidad de unificar la fuerza débil y la electromagnética utilizando una teoría de Yang-Mills. En 1958 defendió su tesis doctoral “The Vector Boson in Elementary Particle Decay.” No logró el objetivo propuesto por su director pero acabó convencido de que una teoría de la fuerza débil correcta requería su unificación con el electromagnetismo.

Decidió visitar Europa como postdoc. El primer año visitó el Instituto de Niels Bohr en Copenhague. Allí, escribió un artículo que sugería que una teoría de Yang-Mills podría ser renormalizable si incorporaba una ruptura de la simetría continua. Abdus Salam le invitó al Imperial College para dar una conferencia sobre este tema. A su regreso a Copenhague descubrió que Salam y Kamefuchi habían escrito un artículo demostrando que su idea era incorrecta. ¿Por qué no le dijo nada Salam al respecto en Londres? Su segundo año de postdoc (1960) lo pasó en el recién inaugurado CERN, en el grupo de física teórica. Allí coincidió con la visita de Jeffrey Goldstone en la que desarrolló su teoría sobre la ruptura de la simetría en teorías cuánticas de campos. Goldstone descubrió que este proceso requería la introducción de una nueva partícula, el bosón de Goldstone. Poco más tarde, Peter Higgs descubriría como aplicar estas ideas a teorías de Yang-Mills, el llamado mecanismo de Higgs, y la ahora famosa partícula de Higgs, pero esa es otra historia. Volvamos a la de Glashow.

Murray Gell-Mann le invitó en la primavera de 1960 a impartir una charla en París (donde estaba de año sabático). Le propuso unirse como postdoc a su grupo en el CalTech. Una teoría electrodébil unificada basada en la simetría SU(2) × U(1) requería la existencia de un bosón vectorial neutro (Z) junto a los bosones cargados W+ y W-. Con toda la ilusión del mundo por su plaza junto a Gell-Mann, escribió en Conpenhague el artículo técnico que, veinte años más tarde, le permitió obtener el Premio Nobel de Física. El reto de Schwinger había sido logrado, salvo por dos obstáculos aparentemente insuperables: cómo romper la simetría de forma que los bosones W y Z adquieran masa y cómo incluir a los hadrones en el modelo.

Gell-Mann había inventado el concepto de sabor (lo que él llamaba la Vía Óctuple). En CalTech, Glashow conoció a Sidney Coleman, estudiante de doctorado de Murray, y con él se convertió en ferviente seguidor y divulgador de las ideas de Gell-Mann. En aquella época, tratar de unificar la fuerza fuerte con la naciente fuerza electrodébil parecía imposible. Más aún, incluir los hadrones en la teoría electrodébil conducía a corrientes neutras que cambian la “extrañeza” de las partículas incompatibles con los resultados experimentales (todavía no se había descubierto el “encanto”). Tras su estancia en CalTech, Glashow consiguió una plaza de profesor en Stanford y más tarde en Berkeley.

El año 1964 fue clave para el Modelo Estándar. En enero Gell-Mann sugirió que los hadrones estaban formados por quarks (aunque en aquel momento no se sabía si eran partículas de verdad o sólo entelequias matemáticas). En febrero Nick Samios descubrió la partícula Ω que había sido predicha por la vía óctuple de Gell-Mann. En julio Fitch, Cronin et al. descubrieron la violación de la simetría CP en la desintegración de kaones (una gran sorpresa en aquel momento). En agosto James Bjorken y el propio Glashow propusieron la existencia de un cuarto quark (c o encanto) para reestablecer la simetría entre leptones y quarks. En octubre Oskar Greenberg propuso que los quarks tenían un atributo especial llamado “color.” En agosto, octubre y noviembre aparecieron los 3 artículos que establecieron el mecanismo de Higgs para la generación de masa en los bosones vectoriales de la teoría electrodébil. Un año revolucionario donde los haya, visto en perspectiva, ya que en aquella época pocos se dieron cuenta de la importancia de todos estos descubrimientos en conjunto.

Las piezas estaban en el tablero pero alguien tenía que saber jugar con ellas. Steve Weinberg en 1967 (y Abdus Salam en 1968) usó el mecanismo de Higgs para explicar la ruptura de la simetría gauge electrodébil. Este trabajo pasó desapercibido por la mayoría de los físicos teóricos. Sólo fue citado 2 veces hasta 1971 (y más de 7000 veces desde entonces). Glashow recuerda que visitó a Weinberg en el MIT para explicarle la relación de su propio trabajo con su artículo de 1967 y le pareció que el mismo Weinberg se había olvidado de dicho trabajo. En aquella época nadie se dio cuenta de que el “color” permitía desarrollar una teoría gauge de la fuerza fuerte compatible con la simetría electrodébil. Hasta 1970 nadie se dio cuenta de que la propiedad del “encanto” permitía extender la teoría electrodébil a los hadrones, hasta que se publicó un artículo de Glashow con John Iliopoulos y Luciano Maiani de la Universidad de Harvard. El “encanto” elimina de un plumazo el problema de las corrientes neutras que cambian la “extrañeza.”

Nadie daba un duro por las teorías cuánticas de campos basadas en simetrías gauge de tipo Yang-Mills a principios de los 1970. Hasta 1971 cuando en una conferencia en Amsterdam Gerard ’t Hooft anunció su demostración con Tini (Martinus) Veltman de la renormalizabilidad de la teoría electrodébil con ruptura espontánea de la simetría mediante el mecanismo de Higgs. Una bomba que convenció de un plumazo a todos los físicos teóricos que la teoría electrodébil era la teoría correcta de la fuerza débil. Muchas de las predicciones de esta teoría requerían verificación experimental. En 1973 tanto el CERN como en Fermilab se descubrieron las corrientes débiles neutras que conservan la extrañeza predichas por dicha teoría. Estas corrientes podrían haber sido descubiertas una década antes, pero nadie se molestó en buscarlas.

Hasta 1974 no se descubrieron las partículas elementales con “encanto” (las que tienen un quark c o “encanto”). Un descubrimiento simultáneo hecho público el 11 de noviembre de 1974. Una nueva partícula con un nombre doble J/Ψ (descubierta en el SLAC y en Brookhaven) que recibió 8 explicaciones teóricas diferentes en el mismo número de Physical Review Letters, todas erróneas salvo 2 de ellas, las de Tom Appelquist y David Politzer, y la de Álvaro de Rújula y el propio Glashow. La partícula J/Ψ está formada por un par quark-antiquark ambos tipo c o “encanto” (“charm” por lo que Álvaro la llamó “charmonium”). ¿Existían partículas con sólo un quark c? En 1975 se descubrió el primer barión “encantado” y en 1976 el primer mesón “encantado.”

En 1975 todos los físicos teóricos creían que sólo existían cuatro sabores y dos generaciones de quarks. Sin embargo, los japoneses Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa habían propuesto en 1973, mucho antes del descubrimiento del cuarto quark, que debía haber seis quarks en lugar de cuatro, con objeto de explicar la violación de la simetría CP y la asimetría entre materia y antimateria en los primeros momentos de la Gran Explosión. En 1975 Martin Perl descubrió el tauón o leptón tau, y dos años más tarde Leon Lederman, descubrió el quinto quark, b o bottom. Ya no había duda de que había tres generaciones de quarks.

La teoría electrodébil se había convertido en el Modelo Estándar y el Premio Nobel para Glashow, Weinberg y Salam estaba cantado (lo recibieron en 1979). Para muchos un premio anticipado ya que todavía no se habían confirmado muchas de sus predicciones, como la existencia de los bosones vectoriales W y Z (descubiertos en el CERN en 1983) y el bosón de Higgs (aún sin descubrir).

En paralelo se desarrolló la teoría gauge de la fuerza fuerte, la cromodinámica cuántica, una teoría no abeliana cuya simetría gauge no está rota como en la teoría electrodébil y que está basada en el concepto de carga de “color.” En su historia el papel de Glashow ha sido menor, por eso, su historia es otra historia.

3 Comentarios

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emilio silvera

Simplemente decir que, se ha hecho un magnifico resumen histórico para explicar la construcción del Modelo Estándar y de los personajes que en él, estuvieron involucrados.

Interesante página a la que dedicaré más tiempo cuando pueda.

Un saludo amigos.

José Miguel Ledesma

Si el principio de relatividad es verdadero, el experimento del CERN, evidenciar el campo de Higgs, tiene que fracasar necesariamente, como ya fracasó el experimento de Michelson-Morley en evidenciar el éter. La intención de ambos era y es demostrar que la realidad está sumergida en un sistema consistente y universal, es decir, impugnar el principio de relatividad y la nada. La historia de la física es la de sus modos de exorcizar el “horror vacui”, la fobia a la nada. Miren Einstein: declaró que el éter era prescindible, pero ¿acaso dejó la nada en su lugar? ¡no, qué esperanza! dejó el “espaciotiempo” que de nada no tiene nada: se expande, se deforma… ¿qué clase de nada es esa?

Alba Díaz AlboAlba Díaz Albo

Sheldon Lee Glashow, ejemplarmente honesto, comprometido humanista y ecológico a la vez, está dando razón a la teoría de los Ciclos Galacticos cuando afirma que “Higgs no será la última partícula”. Todo invita a pensar que aparecerá un sin fin de partículas primigenias resultante de la creación constante en el “medio etéreo” universal (materia-energía oscura) de movimientos caóticos convergentes concausantes de cada tensión ondulatoria puntual, llámense quarks, de singularidades cuasi infinitas, algunos mayormente condicionados para la interrelación o desarrollo de la serie de partículas generadoras del mundo observable.

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