La mecha del Premio Nobel de Física en 1979, que recibieron Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg, fue un experimento llamado E122, realizado en 1978 en el Laboratorio Nacional SLAC, Menlo Park, California. Este experimento confirmó de forma indirecta la existencia del bosón Z (descubierto en 1983 en el CERN y galardonado con el Premio Nobel de Física en 1984). El experimento E122 observó la violación de la paridad en las corrientes débiles neutras mediante la colisión de electrones levógiros y electrones dextrógiros contra un blanco de deuterio, es decir, contra quarks arriba y abajo. ¿Cómo es posible que se haya publicado de nuevo este experimento en una revista tan prestigiosa como Nature?

Ni idea, pero físicos del Jefferson Lab (Virginia, EEUU) publican hoy una confirmación de que la interacción débil entre quarks y electrones (mediada por bosones Z) viola la simetría de paridad. Más aún, sólo lo han confirmando a dos sigmas (el 95% de confianza). Parece extraño que la prestigiosa revista Nature publique la repetición de un experimento clásico que todos los estudiantes de física discuten durante su carrera. Yo no encuentro ninguna explicación razonable. El artículo es The Jefferson Lab PVDIS Collaboration, «Measurement of parity violation in electron–quark scattering,» Nature 506: 67-70, 06 Feb 2014. También recomiendo leer a William J. Marciano, «Particle physics: Quarks are not ambidextrous,» Nature 506: 43-44, 06 Feb 2014.

Yang y Lee predijeron en 1956 que la interacción débil permitía saber a qué lado del espejo se encontraba Alicia (la de Carroll). Madame Wu hizo el experimento en 1957 usando el isótopo radiactivo cobalto-60; confirmó el resultado. Yang y Lee recibieron el Premio Nobel de Física de 1957 (Yang es el de las ecuaciones de Yang-Mills); Wu lo merecía, pero no lo recibió. Desde entonces la violación de la paridad en las interacciones débiles ha sido verificada en infinidad de ocasiones durante los últimos 40 años, sobre todo en los experimentos con colisionadores de partículas de alta energía.

La simetría de paridad es la simetría de la reflexión en un espejo; invertir arriba por abajo si te colocas de pie encima del espejo. El electromagnetismo, la gravedad y la interacción fuerte respetan la simetría de paridad, sin embargo, la interacción débil la viola. La única manera que tenemos de explicarle a un extraterrestre la diferencia entre izquierda y derecha es utilizar la interacción débil.

Los electrones y los quarks son fermiones de espín 1/2 con masa, por ello existen en dos tipos diferentes: fermiones levógiros (zurdos) y fermiones dextrógiros (diestros), dependiendo del signo de la proyección del espín en la dirección de la velocidad (o del momento lineal); a veces se habla de la polarización de los fermiones o de su quiralidad. Si estos fermiones tuvieran masa nula, sus variedades levógiras y dextrógiras se comportarían como partículas diferentes. Sin embargo, como tienen masa, se mezclan entre sí para formar un fermión (que es un estado de superposición cuántica de ambos tipos de fermiones, levógiros y dextrógiros). El caso límite para esta mezcla son los electrones levógiros puros (que no tienen parte dextrógira) y, viceversa, los dextrógiros puros.

En el experimento E122 se utilizó una fuente de electrones levógiros y otra de electrones dextrógiros que se hicieron incidir contra un blanco de deuterio. Se usa el deuterio porque su núcleo está formado por un protón y un neutrón, luego tiene el mismo número de quarks arriba (up) y abajo (down). La interacción débil de un electrón y un quark se puede descomponer, usando la teoría V-A de Feynman y Gell-Mann (descubierta en 1957 por Marshak y Sudarshan), en un acoplo vectorial (V) y uno pseudovectorial (A); la A es debida a que a un pseudovector también se le llama vector axial. En las figuras de esta entrada las constantes de acoplo vectorial entre el electrón y los quarks (arriba o abajo) se llaman C_1u y C_1d; las constantes de acoplo pseudovectorial se llaman C_2u y C_2d. En los experimentos se mide el valor de 2·C_1u−C_1d (según el modelo estándar es −0.719) y 2·C_2u−C_2d (según el modelo estándar es −0.095).

En el Jefferson Lab (abreviatura de Thomas Jefferson National Accelerator Facility) se ha repetido el experimento E122 con técnicas mejores que las usadas hace 35 años . Además de la violación de la paridad asociada a los electrones (valor de  2·C_1u−C_1d), se ha logrado verificar (por primera vez en un experimento de este tipo) la violación de la paridad asociada a los quarks en el núcleo de deuterio (valor de 2·C_2u−C_2d); este efecto es 30 veces más débil que la sensibilidad del experimento E122, luego era imposible de estudiar hace 35 años.

¿Por qué interesa medir efectos tan pequeños? Porque pueden ocultar física más allá del modelo estándar. Los experimento de alta precisión son una vía muy prometedora para encontrar alguna desviación (aunque sea muy pequeña) respecto a las predicciones del modelo estándar (que hasta ahora está superando con éxito todas las pruebas a las que es sometido).

Como consecuencia del nuevo experimento se ha obtenido un nuevo límite para la escala de energía a partir de la cual el electrón y los quarks son partículas elementales (no son partículas compuestas de otras partículas), llamada Λ; se suelen calcular dos valores separados Λ⁺ (eje horizontal en la figura) y Λ⁻ (eje vertical en la figura) al valor obtenido para el acoplo vectorial (V) y para el pseudovectorial (A), resp. Hay que comparar el resultado de esta figura con el de los experimentos ZEUS y H126 del colisionador alemán HERA (Hadron–Electron Ring Accelerator), que predicen Λ⁺ > 3,3 TeV y Λ⁻ > 3,2 TeV, y Λ⁺ = 3.8 TeV y Λ⁻ = 3.6 TeV, respectivamente. El mejor límite experimental ha sido obtenido con ATLAS (LHC, CERN), en concreto Λ⁺ > 9,5 TeV y Λ⁻ = 12,1 TeV.

En resumen, un artículo interesante, que nos sirve de excusa para recordar el famoso experimento E122, pero que, si yo tuviera que apostar al respecto, nunca habría apostado que acabara publicado en Nature. Pero ya se sabe que los editores y los revisores de Nature también dan sorpresas.