Simetría de Paridad, Simetrías Rotas y su Significado Físico

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^{Por:  Amal Pushp, Físico Afiliado de Resonance Science Foundation}  

La propiedad matemática denominada "simetría" se manifiesta esencialmente a todas las escalas de la naturaleza. Desde los pétalos de las flores hasta el dominio de los átomos y las moléculas, la simetría desempeña un papel crucial a la hora de dar forma a la estructura de la materia y desvelar la naturaleza de la realidad física. La definición de simetría puede cambiar según la situación. Por ejemplo, la geometría de un objeto y su invariancia bajo determinadas rotaciones o reflexiones pueden dar una idea matemática general de su simetría, pero en física, la simetría se refiere específicamente a un cambio en un proceso o interacción físicos concretos. Se dice que un proceso físico es simétrico con respecto a un cambio si permanece invariante a pesar del cambio inducido.

Existen varios tipos de simetría en la naturaleza, y cuando se trata de física de partículas, nos interesa principalmente algo llamado simetría de paridad. La paridad puede describirse como una inversión del signo de una coordenada espacial, por ejemplo x cambia a -x. En general, esto especifica si una propiedad asociada a un fenómeno físico cambia o no cuando miramos su imagen especular. Esencialmente, todas las fuerzas físicas fundamentales asociadas a las partículas elementales permanecen invariantes bajo la transformación de paridad o, en otras palabras, muestran simetría de paridad. Sin embargo, como excepción, la fuerza nuclear débil viola esta simetría.

Ahora bien, es importante darse cuenta de que en la naturaleza, la asimetría se manifiesta igual que la simetría y hay varios casos en el universo que lo demuestran. Por ejemplo, es un hecho conocido que en nuestro universo predomina la materia sobre la antimateria a pesar de que las consideraciones simétricas deberían haber llevado a cantidades iguales de ambas, un escenario típicamente conocido como la asimetría de bariones. Se trata de uno de los principales problemas sin resolver de la física. Consulte un artículo anterior de RSF que escribí para obtener más detalles al respecto.

Además, un aspecto crucial relacionado con la simetría que merece la pena discutir aquí, es el concepto de ruptura de la simetría o, en otras palabras, simetría rota. Esencialmente, la simetría puede clasificarse en tres tipos dependiendo de situaciones específicas, a saber: exacta, aproximada o rota. A partir de la inferencia, se puede entender que las simetrías que son exactas son válidas en todas las circunstancias y las que son aproximadas son válidas pero bajo ciertas restricciones. La última, es decir, la simetría rota, interesa específicamente a los físicos de partículas, ya que es fundamental para comprender los diversos aspectos del modelo estándar. Explícitamente, una simetría rota puede entenderse a partir del siguiente diagrama.

Diagrama explicativo que muestra cómo funciona la ruptura de simetría. A un nivel de energía suficientemente alto, una bola se asienta en el centro (punto más bajo), y el resultado tiene simetría. A niveles de energía más bajos, el centro se vuelve inestable, y la bola rueda hacia un punto más bajo - pero al hacerlo, se asienta en una posición (arbitraria), y el resultado es que la simetría se rompe - la posición resultante no es simétrica. Imagen y descripción: Wikimedia Commons 

Para una perspectiva más elaborada de la simetría rota, considere un fenómeno particular que ocurre bajo ciertas condiciones en un medio particular. Para que el fenómeno se produzca sin problemas, es necesario que un agente externo rompa la simetría del medio y la transforme en la simetría del fenómeno. Así pues, la ruptura de simetría corresponde esencialmente a una situación en la que la simetría original se ha rebajado a una condición que posee menos simetría. Para más detalles sobre la ruptura de simetría y sus tipos, se recomienda al lector consultar este enlace.

Recientemente se ha producido un avance significativo en los descubrimientos relacionados con la ruptura de simetría, así como con la violación de la simetría de paridad en el universo. Discutiremos brevemente un caso de cada una de las dos. Empezando por el primero, un grupo de investigadores del Instituto Max Born se asoció con investigadores de la Universidad de Duisberg-Essen para mostrar por primera vez una nueva forma de sondear fonones coherentes, que son esencialmente cuantos de vibraciones acústicas, utilizando la ruptura de simetría [1]. Este trabajo abre una nueva dimensión de la investigación en optoacústica, como la determinación de nuevas propiedades de excitación de un cristal entre otras. 

Ya hemos visto qué significa la simetría de paridad y por qué es importante para la física. Ahora bien, una violación de esta simetría corresponde a una situación en el universo primitivo en la que las leyes de la física eran esencialmente distintas de las actuales y que, a su vez, tiene fuertes implicaciones para la evolución del universo. Una publicación reciente en Physical Review Letters (PRL) pretende buscar la violación de la paridad utilizando un modelo de galaxias [2]. La motivación de esta investigación es averiguar si el universo prefiere las formas zurdas o las diestras, lo cual es esencialmente una analogía trazada por simplicidad (nuestra mano izquierda y nuestra mano derecha son imágenes especulares). Incluso un pequeño indicio de violación de la paridad sugeriría que el universo siente predilección por una de las dos. El equipo de investigadores llevó a cabo su análisis matemático utilizando lo que se conoce como una función de correlación, en este caso, una función de correlación de 4 puntos (4PCF). En términos sencillos, una función de correlación en astronomía describe la distribución de las galaxias en el universo.

En resumen, aunque la investigación actual no aclaró si la preferencia es hacia formas zurdas o diestras, se descubrió que el universo efectivamente prefiere una forma sobre la otra, confirmando así una violación de la simetría de paridad. Para más información sobre el trabajo y sus implicaciones, consulte este artículo.

RSF en Perspectiva: 

Un número significativo de sondeos de investigación modernos han demostrado que el modelo estándar de la física de partículas no es lo bastante preciso para describir con exactitud la mayoría de los fenómenos físicos. Incluso en el nuevo trabajo de Cahn et al, han anticipado un modelo más allá del estándar que podría explicar específicamente la asimetría materia-antimateria. Este es uno de los casos explícitos que ponen de manifiesto la incoherencia del modelo estándar. Anteriormente, también hemos examinado otras investigaciones que tienden a orientarnos en esta dirección, por ejemplo, véase este artículo de RSF que considera uno de estos escenarios.  

Así pues, ya es hora de que nos fijemos en modelos novedosos que tengan una buena base teórica y el potencial de explicar los resultados empíricos a partir de un análisis de primeros principios. El modelo holográfico generalizado del físico Nassim Haramein es uno de ellos. El objetivo es reformular los principios fundamentales y unificarlos en una estructura coherente que arroje resultados precisos y comprobables empíricamente, por ejemplo, los valores de diversas constantes de acoplamiento.

El nuevo trabajo de Haramein et al titulado “Scale Invariant Unification of Forces, Fields & Particles in a Quantum Vacuum Plasma” que se publicará en breve, pretende dar respuesta a algunos de los problemas que plantea la investigación descrita en este artículo y a muchas más cuestiones generales que se encuentran en el corazón de la física fundamental. 

Referencias 

[1] Azize Koç et al, Quantum pathways of carrier and coherent phonon excitation in bismuth, Physical Review B (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.107.L180303 

[2] Robert N. Cahn et al, Test for Cosmological Parity Violation Using the 3D Distribution of Galaxies, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.201002