Teoría de Peccei -Quinn

 

El ser humano ha buscando siempre desentrañar los misterios de la materia, la sustancia primigenia de la realidad que lo rodea. Hace milenios el filósofo griego Demócrito ideó el primer modelo atómico de la historia el cual estuvo vigente hasta finales del siglo XVII. Paulatinamente han salido a la luz verdades científicas y se han descartado a otras que se creían ciertas, como el heliocentrismo. La observación y experimentación como parte del método científico, son pasos esenciales para conocer algo con absoluta certeza.

Lo que nos dice la Física moderna es que tenemos un modelo estándar de 17 partículas subatómicas elementales indivisibles. Al estudiar el núcleo atómico, encontraron que los neutrones, protones y otras partículas están compuestas por hadrones y mesones, estos a su vez están constituidos por partículas más pequeñas, llamadas quarks y antiquarks, y "nubes" de gluones que los mantienen unidos.  Los dos tipos básicos de partículas elementales en la naturaleza son los fermiones (incluyen todos los quarks, leptones y otros) y los bosones (fotones, gluones, etc.) Con esto se afirma que la mayor parte de la masa visible del universo consiste en protones y neutrones.

Recuerdo interesarme a profundidad en estos temas en una ocasión en especial a la que asistí a un seminario en el año 2010, entonces se nos mencionaba a la "partícula de dios" del CERN. El 4 de julio de 2012 los físicos anunciaron el hallazgo de un bosón compatible con las características descritas, entre otros, por Peter Higgs.

El modelo estándar describe cada tipo de partícula en términos de un campo matemático. La cromodinámica cuántica es un área de estudio que investiga la fuerte interacción (una de las 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza junto con la gravedad, el electromagnetismo y la interacción débil) entre quarks regulada por gluones.

Las simetrías son invarianzas ante transformaciones (teorema de Noether) o de otro modo ecuaciones que describen las fuerzas fundamentales mencionadas. En Mecánica Cuántica y Teoría Cuántica de Campos es común considerar grupos de simetrías que son un conjunto de transformaciones de coordenadas que dejan invariante el lagrangiano, es decir, la función escalar a partir de la cual se puede obtener la evolución temporal, las leyes de conservación y otras propiedades importantes de un sistema dinámico físico; esto conlleva a que las soluciones a dicho problema presenten desde luego dicho tipo de invariancia.

Cuando las particulas sufren una conjugación de cargas (eléctricas y más), es decir una metamorfosis que las intercambia con sus antipartículas, nos referimos al termino "C-Symmetry" (simetría de conjugación de cargas). Además existen más simetrías discretas como la P- Simmetry que la podemos conceptualizar como una modificación de paridad, una inversión en el signo de una coordenada espacial. 

La simetría CP establece que las leyes de la física deberían ser las mismas si una partícula se intercambia con su antipartícula (Simetría C) mientras sus coordenadas espaciales están invertidas (Simetría P). Se sabe que la interacción fuerte, la gravedad y el electromagnetismo tienen simetría CP, pero no así la interacción débil, lo cual se manifiesta en ciertas desintegraciones radiactivas. En 1964 se descubrió la violación CP que representa un rol importante en cosmología. Esto demostró que las interacciones débiles no solamente violaban la simetría de conjugación de carga C y la simetría de paridad P,  también la combinación de ambas. El modelo estándar no explica la fuente de esta violación. En él la materia y la antimateria son simétricas, ni aclara tampoco el origen de las masas de los leptones y los quarks y/o la aparente jerarquía de masas. 

En 2001, una nueva generación de experimentos, que incluyen el experimento BaBar en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) y el Experimento Belle en el KEK de Japón, observó violación directa de CP en la desintegración de mesones B. En 2011, el experimento LHCb del CERN informó de indicios de violación de CP en la desintegración de mesones D neutros y En 2013 LHCb encontró violación de CP en la desintegración de mesones B extraños, confirmado en 2015 por los experimentos BaBar y Belle. En marzo de 2019, LHCb anunció una violación de CP en decaimientos de quarks charm D0. En 2020, la unión T2K informó por primera vez de indicios de violación de CP en leptones.

El problema CP fuerte puede ser resuelto automáticamente si uno de los quarks no tiene masa. El inconveniente con esta solución es  que todos los quarks son masivos a partir de la comparación experimental con cálculos de red, por lo que no hay nada que obligue a que la masa de un quark adquiera un valor tan pequeño. Los campos de quarks siempre se pueden redefinir realizando una transformación quiral en algún ángulo. Hasta el día de hoy sigue siendo uno de los grandes enigmas de la Física moderna, un problema de ajuste fino, es decir un proceso en el cual los parámetros de un modelo deben adecuarse con mucha precisión para que se ajusten a ciertas observaciones.

Entre las respuestas propuestas, una de las más populares es la de la Física de Partículas estadounidense Helen Quinn en conjunto con Roberto Peccei en 1977 . Su teoría anexa una nueva simetría anómala quiral global U(1) al Modelo Estándar y un nuevo campo escalar complejo que rompe con la simetría a bajas energías, creando un pseudobosón de Goldstone llamado Axión con el langraniano resultante:

El tercer término se conoce como anomalía de color,  consecuencia de la anomalía de la simetría. Debido a la presencia de la anomalía de color, la θ, el ángulo, se modifica dando lugar a un potencial efectivo a través de efectos instantón, que se puede calcular en la aproximación de gas diluido como: 

Para minimizar la energía del estado fundamental, el campo de axiones elige el valor esperado del vacío.

Esto impulsa la redefinición del campo a→a+⟨a⟩ causando la cancelación de la θángulo, lo que dinámicamente resuelve el problema CP fuerte.

El axón remedia la problemática de la violación CP pero aún no ha sido observado experimentalmente, sin embargo, se piensa es una de las partículas aspirantes para la constitución de la materia oscura que habita el universo. Sencillamente la simetría Peccei-Quinn describe cómo las interacciones fuertes pueden mantener simetría CP (la simetría entre materia y antimateria) cuando no existen las interacciones débiles. Esta teoría puede ayudar a la cosmología a dilucidar el predominio de la materia sobre la antimateria en el universo actual.

Esta animación en 3D muestra el proceso de creación de átomos de antihidrógeno a partir de positrones y antiprotones en el interior de la trampa atómica ALPHA, seguido de su liberación y la medición de la dirección en la que descienden. En la precisión de este experimento, los átomos de antihidrógeno caen a la Tierra de la misma manera que sus equivalentes de materia. Este es el primer experimento directo que observa realmente un efecto gravitacional sobre el movimiento de la antimateria. 

En sus investigaciones al lado de Howard Georgi y Steven Weinberg (quien propuso el primer modelo de leptones en 1967 basado en la simetría gauge SU(2)×U(1)), Helen demostró cómo los tres tipos de interacciones de partículas (fuertes, electromagnéticas y débiles) que tienen diversas formas de impactar en el entorno que rodea al humano se asimilan inexorablemente a los procesos de alta energía unificándolas en una fuerza.

En esta plática nos habla acerca del enigma que llevó a la formulación de esta simetría, el modo en el que se llegó a esta solución (todavía viable, la mejor disponible pero no necesariamente correcta). Menciona que al inicio de su trabajo se equivocaron en sus conclusiones por apresurarse a publicar su idea y el cómo Steve Weinberg les mostró sus fallas y les señaló una mejor formulación del problema. 

Thank you!

Sus alcances me inspiran, es para mí un ejemplo de superación, su nombre dejará una huella indeleble en la historia de la Física y de la ciencia para beneficio de la humanidad.

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