Ciencia Y Tecnologia

2 FUNDAMENTOS DE FÍSICA

2.3 TEORÍA RELATIVISTA

2.4 TEORÍA CUÁNTICA

2.5 TEORÍAS DE UNIFICACIÓN DE LA FÍSICA

Las Teorías de Gran Unificación o G.U.T. son aquellas que estudian las interacciones fundamentales en el rango de energías en que las tres llegan a ser una misma.

Tendríamos entonces una única interacción, y, por tanto, una única intensidad. En 1974, H.Geogi y S.Glashow (Harvard, E.E.U.U.), propusieron el grupo SU(5) como el más sencillo de todos los posibles. Si en dicho modelo SU(5) se estudia la evolución con la energía de las tres constantes de acoplamiento, se comprueba el hecho sorprendente de que éstas se unifican a una energía del orden de 10 15 GeV.

Una energía tan enorme no será alcanzada por las generaciones futuras de aceleradores. Entonces, ¿por qué no conformarnos con el Modelo Estándar, aunque sea renunciando al placer estético de unificar las interacciones fundamentales?.

En respuesta a esto se pueden dar, al menos, dos razones que hacen relevantes las Teorías de Gran Unificación. Primera: estas energías se alcanzaron en el Universo cuando, después del Big Bang, su diámetro y su temperatura eran, respectivamente, del orden de 10 -29 cm y 10 28 ºC (esto convierte al Universo en el laboratorio ideal). Segunda: la posibilidad de formular una Teoría a 10 15 GeV, con un número de parámetros inferior a los que aparecen en el Modelo Estándar. Por supuesto, luego tendríamos que "descender" de 10 15 GeV a 100 GeV, es decir, hacer predicciones a las energías ordinarias.

Si en una teoría con una invariancia gauge SU(3), como la Cromodinámica Cuántica, teníamos ocho partículas mediadoras de la interacción fuerte (los gluones), en el caso SU(5) tendríamos 24. De estas 24 conocemos, hasta ahora, sólo 12: 1 fotón, 8 gluones y los bosones W+, W- y Zº, que son los mediadores de las interacciones electromagnética, fuerte y débil, respectivamente, que pasaban de un quark a otro quark y de un leptón a otro leptón. pero ahora, las 12 partículas mediadoras restantes (que se denominan bosones X e Y), permitirán el paso de quark a leptón y viceversa. Este hecho tiene una consecuencia física relevante e inédita: el protón, que hasta ahora se consideraba una partícula estable, ¡se desintegraría!

Entre otras predicciones del modelo SU(5), están el ángulo de Weinberg y la cuantificación de la carga eléctrica. A pesar de su éxito, este modelo deja muchas cuestiones sin resolver como la existencia, al menos, de tres familias, el elevado número de parámetros (21), la llamada "jerarquía de roturas", y además, ¿por qué no incluir, a esas enormes energías, la interacción gravitatoria?

El elevado número de parámetros y la jerarquía de roturas requieren la introducción de un nuevo concepto: la "Supersimetría". En cuanto a la introducción de la interacción gravitatoria, este tema dará lugar a la teoría conocida con el nombre de "Supergravedad".

TEORIAS DE UNIFICACION DE LA FISICA

Una teoría de Gran Unificación (TGU, o GUT por "Grand Unification Theory") es una teoría que unifica tres de las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza nuclear débil, fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética. La fuerza de gravedad no es considerada en las teoría de Gran Unificación, pero sí en una eventual Teoría del Todo (TOE), que consideraría las cuatro interacciones fundamentales.

INTRODUCCIÓN

Como ejemplos exitosos de "unificación", se encuentran la demostración, por parte de Newton, de que la fuerza que mantiene a los planetas girando en torno al sol y la fuerza que nos mantiene pegados a la superficie de la Tierra es la misma. También Maxwell llevó a cabo la unificación de los campos eléctricos y magnéticos, que hasta antes de su gran teoría, eran considerados fenómenos separados y diferentes.

Steven Weinberg y Abdus Salam elaboraron en 1967-1968, una teoría relativista del campo cuántico, que permitía expresar las interacciones electromagnéticas y débiles de una manera unificadas (la interacción electrodébil), y que predijo hechos que luego fueron comprobados experimentalmente. Posteriormente, Howard Georgi y Sheldom Glashow desarrollaron una nueva teoría, que aportaba nuevas características y corregía algunos errores y omisiones de la anterior teoría. Sin embargo de las ecuaciones se desprendía el decaimiento del protón. Esto llevó a algunos famosos experimentos para detectar este efecto: pero como el tiempo de vida de un protón es muy largo, en el orden de 1031 años, no es posible observar la partícula el tiempo suficiente como para presenciar la descomposición. En reemplazo de esto, quizás el efecto podría ser observado si se examinan suficientes protones. Algunos intentos de medición conocidos se realizaron en piscinas subterráneas (para proteger el experimento de radiaciones) de grandes dimensiones, en las que el decaimiento del protón sería visualizado como un destello en una serie de fotosensores.

FORMULACION MATEMATICA

El Modelo estándar de la física de partículas es una teoría de campo de gauge que describe a fermiones elementales (leptones y quarks) en interacción mútua mediante una serie de campos de Yang-Mills de bosones intermediarios. Puesto que el modelo electrodébil (que describe la interacción electromagnética y débil) está basado en una teoría de gauge con grupo gauge de simetría SU(2)xU(1) y la cromodinámica cuántica (que describe la interacción fuerte) está basa en una teoría con grupo gauge SU(3); los físicos han encontrado prometedor describir todas estas interacciones mediante una teoría gauge con un grupo de simetría que tenga como subgrupos a los grupos gauge mencionados.

SU(5)

Un candidato obvio para grupo de simetría es SU(5) en el que se basa el modelo de Georgi-Glashow de 1974. En ese modelo se incluía un mecanismo de ruptura espontánea de la simetría por el cual la simetría original completa, se volvía una simetría menos general U(1)xSU(2)xSU(3) a bajas energía por fenómenos que rompían la simetría. Aunque a grandes energías los factores de ruptura se vuelven irrelevantes y los tres tipos de interacción debían

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