XVII. LAS TEORÍAS UNIFICADAS
EN sus últimos años, cuando trabajaba en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Einstein se preocupó enormemente por hallar un marco conceptual que englobara su teoría general de la relatividad con el electromagnetismo. Tal teoría sería ejemplo de una teoría unificada de los campos, en este caso el gravitacional y el electromagnético. Aunque el gran físico falló en su intento, la línea de pensamiento por él marcada quedó impresa en la ciencia y muchos físicos después de Einstein buscaron teorías unificadas. En ellas se trata de englobar, como diferentes manifestaciones de un mismo fenómeno, a algunas de las cuatro fuerzas que existen entre las partículas elementales.
La primera unificación con éxito se logró no como quería Einstein cuando intentó unir la gravitación con el electromagnetismo, sino con la llamada teoría electrodébil, que unifica las fuerzas débiles y las electromagnéticas. Veamos cómo ocurrió esto.
Las diferencias entre la fuerza débil y la electromagnética son mucho más obvias que sus semejanzas. Hasta antes de 1973, esto era aun más evidente: se creía que la interacción débil procedía sólo a través de mensajeros cargados. Estos, a diferencia del fotón, son partículas muy masivas, lo que explica el cortísimo alcance de la fuerza débil, que contrasta con las enormes distancias que el fotón virtual sin masa puede recorrer. Otra característica que distingue las dos fuerzas es su magnitud, como ya hemos mencionado varias veces. Sin embargo, la intensidad de la fuerza débil crece con la energía más rápidamente que el aumento de la interacción electromagnética. Podría ser que, a energías muy altas, ambas fuerzas tuvieran idéntica intensidad, o que incluso la débil fuera mayor que la electromagnética; sería sólo el muy corto alcance de la interacción débil lo que hiciera su efecto menor que el de la electromagnética. Finalmente, las interacciones débiles violan la paridad,1 cosa que no hacen las otras fuerzas.
A pesar de estas diferencias, hay características importantes que comparten
ambas interacciones: su universalidad, para empezar, y el carácter de sus mensajeros,
en segundo lugar. En efecto, todas las partículas —leptones y hadrones—
sufren estas fuerzas, lo que no ocurre con la interacción fuerte, que sólo actúa
sobre los hadrones. La otra semejanza importante es el carácter del bosón mensajero
de la interacción débil, cuyo momento angular es el del fotón: ambos tienen
espín igual a 
;
por ello, se le llamó el bosón vectorial intermedio.
A pesar de lo anterior, muchos físicos propusieron nuevas teorías del campo para unificar las interacciones débiles y las electromagnéticas; hoy se les llama teorías de campos de norma. En ellas se supone una nueva simetría, inobservada, entre las fuerzas débil y electromagnética. La teoría electrodébil que finalmente echó raíces fue desarrollada por Steven Weinberg, de Harvard, e independientemente por Abdus Salam, físico paquistano, investigador del Imperial College de Londres y director del Centro Internacional de Física Teórica, cuya sede está en Trieste. Ellos, en un sentido u otro, generalizaron el trabajo que Yang2 y Mills habían realizado en 1954.
Ya hemos mencionado varias veces que la teoría más precisa que han generado los físicos es la electrodinámica cuántica. Esta es una teoría en que, cambiando parámetros simples —por ejemplo, la masa y la carga del electrón—, pueden obtenerse resultados sorprendentes: para el momento magnético del electrón, digamos, el número que se obtiene teóricamente es (en las unidades apropiadas) 1.0011596553, mientras que el valor medido experimentalmente es 1.0011596577. Tal concordancia entre ambos números, hasta 9 cifras significativas, no tiene precedente en la física de todos los tiempos. Teorías de campo como la electrodinámica cuántica, donde se usan valores apropiados de algunos parámetros simples como la masa y la carga, se llaman renormalizables.
Pues bien, Weinberg y Salam encontraron la teoría electrodébil renormalizable, con la cual pueden predecirse varios resultados experimentales. Para ello, sin embargo, debieron suponer que no había uno, sino tres bosones vectoriales intermedios: el W+ cargado positivamente, el W- con carga negativa, y un tercero, la partícula Z0 , que sería neutra. Estos tres bosones, junto con el fotón, serían los mensajeros de las fuerzas electrodébiles.
Aquí encontramos el primer valladar que la teoría de Weinberg y Salam debió
saltar. No sólo habría interacciones débiles con mediadores cargados (como en
el proceso débil por antonomasia, el decaimiento del neutrón, la desintegración
b), sino también existirían los procesos
débiles neutros eléctricamente. Durante muchos años, estos procesos de corrientes
débiles neutras, como se les llegó a conocer, eludieron su detección. Sin embargo,
un grupo, formado por decenas de investigadores del CERN en Ginebra, observó
en 1973 varios procesos, como la colisión de 
m
por electrones o el choque entre neutrinos y protones, que sólo pueden explicarse
por el intercambio de Z0. En estos experimentos jugaba un
papel distinguido el físico italiano Carlo Rubbia, hoy en Harvard. Diez años
después, el mismo Rubbia empleó un complicado detector para descubrir, en un
bello experimento en que chocan un protón y un antiprotón, los bosones W
± y Z0. En uno
de cada cinco millones de choques entre protones y antiprotones en el acelerador
del CERN, un cuark del protón se aniquila con un anticuark del antiprotón para
dar origen luego al bosón vectorial intermedio. Estos bosones podían identificarse
plenamente con los requeridos por la teoría electrodébil, dándole así una consistencia
inusitada. Por ese trabajo, Rubbia y el físico holandés Simon van der Meer,
también del CERN, recibieron el premio Nobel de física correspondiente a 1984.
Ya que la electrodinámica cuántica y la teoría electrodébil, ambas teorías cuánticas del campo de norma, tuvieron tal éxito, se antoja ser más ambiciosos y preguntarse si no habrá una teoría de norma, también renormalizable, para las interacciones fuertes, es decir, para predecir el raro comportamiento de las cuarks. Una teoría tal ha sido desarrollada en los últimos años y, por su conexión con el color, se le ha llamado cromodinámica cuántica. Con ella a la mano podremos, finalmente, entender el confinamiento de los cuarks, el porqué son tan elusivos y por qué nunca los hemos podido ver libres.
NOTAS
1 La conservación de la paridad implica que en el universo no haya distinción entre izquierda y derecha: al penetrar en un mundo espejo del nuestro, donde izquierda y derecha se intercambien, las leyes de la naturaleza permanecerán invariantes. En 1956, dos físicos chinos, C. N. Yang y T. D. Lee, sugirieron, para explicar la extraña desintegración del mesón extraño K, que la paridad podía violarse. Al comprobarse experimentalmente sus ideas unos cuantos meses después (con el trabajo realizado por una amiga de ambos, la doctora Wu, también china de origen), Yang y Lee se volvieron famosos y recibieron el premio Nobel de física en 1957. Ahora sabemos que sólo las interacciones débiles violan la paridad.
2 Como Gell-Mann, C. N. Yang también trabajó en Chicago bajo la dirección de Fermi. Resulta notable la escuela dejada por el gran físico italiano; muchos de los que han contribuído recientemente a la fisica de partículas de manera importante fueron alumnos de Enrico Fermi. Lo mismo había ocurrido en las primeras décadas de este siglo, en que la mayoría de los grandes experimentadores estaban bajo la influencia —directa o indirecta— de Rutherford y los grandes teóricos hablan recibido las ensenanzas de Niels Bohr, quien los reunía en su instituto de Copenhague, financiado por la fábrica de cerveza Carlsberg.
