Se cumplen 50 años de la unificación electrodébil

Dibujo20171015 steven weinberg at this blackboard

La teoría del modelo estándar nació con la unificación electrodébil que publicó Steven Weinberg en 1967. Su famoso artículo “A Model of Leptons,” Phys. Rev. Lett. 19: 1264 (20 Nov 1967), doi: 10.1103/PhysRevLett.19.1264, fue enviado a dicha revista el 17 de octubre de 1967. Por tanto, se cumplen 50 años de dicho trabajo, uno de los más importantes del siglo XX, que pasó sin pena ni gloria (solo recibió dos citas) entre 1967 y 1971. Tras el descubrimiento de ‘t Hooft y Veltman de que la teoría electrodébil era renormalizable se transformó en un artículo de premio Nobel, galardón que Weinberg recibió en 1979 (junto a Glashow y Salam).

Hoy en día el artículo de Weinberg, con solo tres páginas, es el segundo más citado en física de altas energías (HEP) según INSPIRE, con más de 10 800 citas; el artículo más citado, con más de 13 100 citas, es el del argentino Juan Martin Maldacena, “The Large N limit of superconformal field theories and supergravity,” Adv. Theor. Math. Phys. 2: 231-252(1998), Int. J. Theor. Phys. 38: 1113-1133 (1999), doi: 10.1023/A:1026654312961; por supuesto, estos artículos están lejos de las 59417 citas acumuladas por todas las ediciones del “Review of Particle Physics” del Particle Data Group (PDG).

Más información en Frank Close, “Birth of a symmetry,” CERN Courier, 13 Oct 2017; también en la entrevista a Steven Weinberg de Matthew Chalmers, “Model physicist,” CERN Courier, 13 Oct 2017.

Dibujo20171015 steven weinberg photo by matt valentine cerncourirer com

En el verano de 1967 Weinberg estaba trabajando en una teoría para la interacción fuerte; la simetría de espín isotópico (o isospín) que conecta protones y neutrones (que son indistinguibles para la interacción fuerte) le llevó a proponer un modelo teórico SU(2)×SU(2), con sendas simetrías SU(2) para las dos componentes quirales (izquierda y derecha) del nucleón, que median una interacción debida por mesones. Esta simetría está rota porque los mesones rho tienen masa, y la masa del protón y del neutrón difieren. En la búsqueda de modelos teóricos con rotura de simetría que predijeran una masa para los mesones, Weinberg consideró en 1965 el uso del mecanismo de Brout–Englert–Higgs propuesto en 1964. Sin embargo, el diablo está en los detalles y la idea no funcionaba con la interacción fuerte.

En septiembre de 1967 Weinberg pensó que un modelo teórico tan bello debía seguir siendo explotado. Así que pensó que el mesón rho sin masa en la teoría podría ser el fotón y que la teoría podría describir una unificación del electromagnetismo y la interacción débil. Tomando como doblete el electrón quiral izquierdo y el neutrino, y como singlete el electrón quiral derecho, la simetría más general posible es SU(2)×U(1)×U(1). Como la interacción mediada por el fotón debe ser de largo alcance una de las simetrías U(1) sobra (pues representa un fotón oscuro con masa). El resultado es una teoría electrodébil para los leptones con simetría gauge SU(2)×U(1).

En la teoría SU(2)×U(1) se observan dos bosones W cargados y dos bosones neutros, mediante un mecanismo de rotura espontánea de la simetría se podía dotar de masa a los bosones W y al bosón Z, dejando el fotón del electromagnetismo sin masa. Esta idea ya había sido propuesta por Glashow en 1961, y por Salam y Ward en 1964, aunque en la primera versión del manuscrito Weinberg no los menciona, les incluye en las referencias de la versión final del mismo. La idea parecía funcionar bastante bien y predecía la existencia de corrientes débiles neutras (mediadas por los bosones Z) que podrían estar al alcance de los experimentos.

Por desgracia la teoría tenía un gran problema. Weinberg era incapaz de demostrar que la teoría era renormalizable (aunque conjeturó que podría serlo, si la rotura espontánea de la simetría preservaba dicha propiedad). En 1967 el único físico que aseguraba con rotundidad que la teoría era renormalizable era Engler, aunque junto a Brout no fue capaz de probarlo. En 1971 se demostró que la teoría era renormalizable gracias al trabajo de ’t Hooft y Veltman; solo entonces Weinberg se dio cuenta de que su teoría marcaba el camino correcto hacia lo que ahora llamamos el modelo estándar.

En cuatro años (entre 1967 y 1971) el artículo de Weinberg fue citado solo dos veces. Un caso muy excepcional para una artículo revolucionario. En los casi 50 años posteriores su artículo ha sido citado al menos tres veces cada semana. Hoy sabemos que todas las predicciones de esta teoría a las energías alcanzables en los experimentos han sido contrastadas con éxito en los colisionadores de partículas. El modelo estándar es una teoría tan robusta como pueda ser una teoría.


4 Comentarios

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PacoPaco

“Así que pensó que el mesón rho sin masa en la teoría podría ser el fotón y que la teoría podría describir una unificación del electromagnetismo y la interacción fuerte.”
¿Ahí no debería poner “interacción débil” o me he perdido? :(

Pedro MascarósPedro Mascarós

Qué curioso el hecho de que a mayor masa, más difícil de encontrar…cuando en la vida cotidiana es al revés.

Francisco R. Villatoro

Pedro, “encontrar” no es el término más acertado; más adecuado es que son más difíciles de producir en un colisionador, pues se requiere más energía que el doble de su masa.

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