Teoría del campo unificado

Las cuatro fuerzas fundamentales conocidas están mediadas por campos. En el Modelo Estándar de la física de partículas, tres de ellas resultan del intercambio de bosones de gauge . Estas son:

• Interacción fuerte : la interacción responsable de mantener unidos a los quarks para formar hadrones , y de mantener unidos a los neutrones y también a los protones para formar núcleos atómicos . La partícula de intercambio que media esta fuerza es el gluón .
• Interacción electromagnética : la interacción conocida que actúa sobre partículas con carga eléctrica. El fotón es la partícula de intercambio para esta fuerza.
• Interacción débil : una interacción de corto alcance responsable de algunas formas de radiactividad , que actúa sobre electrones , neutrinos y quarks. Está mediada por los bosones W y Z.

La relatividad general describe asimismo la gravitación como el resultado del campo tensorial métrico, que describe la forma del espaciotiempo :

• Interacción gravitacional : una interacción atractiva de largo alcance que actúa sobre todas las partículas. En las versiones cuánticas hipotéticas de la relatividad general, la partícula de intercambio postulada ha sido denominada gravitón .

En el Modelo Estándar, las partículas de "materia" (electrones, quarks, neutrinos, etc.) se describen como los cuantos de los campos espinoriales . Los campos de bosones de gauge también tienen cuantos, como los fotones en el campo electromagnético.

El Modelo Estándar tiene un campo escalar fundamental único , el campo de Higgs , cuyos cuantos se denominan bosones de Higgs .

La primera teoría clásica unificada de campos exitosa fue desarrollada por James Clerk Maxwell . En 1820, Hans Christian Ørsted descubrió que las corrientes eléctricas ejercían fuerzas sobre los imanes , mientras que en 1831, Michael Faraday observó que los campos magnéticos variables en el tiempo podían inducir corrientes eléctricas. Hasta entonces, la electricidad y el magnetismo se habían considerado fenómenos no relacionados. En 1864, Maxwell publicó su famoso artículo sobre una teoría dinámica del campo electromagnético . Este fue el primer ejemplo de una teoría capaz de englobar teorías de campos previamente separadas (a saber, electricidad y magnetismo) para proporcionar una teoría unificadora del electromagnetismo. En 1905, Albert Einstein utilizó la constancia de la velocidad de la luz en la teoría de Maxwell para unificar nuestras nociones de espacio y tiempo en una entidad que ahora llamamos espaciotiempo . En 1915, amplió esta teoría de la relatividad especial a una descripción de la gravedad, la relatividad general , utilizando un campo para describir la geometría curva del espaciotiempo tetradimensional (4D).

En los años posteriores a la creación de la teoría general, un gran número de físicos y matemáticos participaron con entusiasmo en el intento de unificar las interacciones fundamentales entonces conocidas. ^{[ 6 ]} Dados los desarrollos posteriores en este campo, son de particular interés las teorías de Hermann Weyl de 1919, quien introdujo el concepto de un campo de gauge (electromagnético) en una teoría de campo clásica ^{[ 7 ]} y, dos años después, la de Theodor Kaluza , quien extendió la Relatividad General a cinco dimensiones . ^{[ 8 ]} Continuando en esta última dirección, Oscar Klein propuso en 1926 que la cuarta dimensión espacial se enrollara en un pequeño círculo no observado. En la teoría de Kaluza-Klein , la curvatura gravitacional de la dirección espacial extra se comporta como una fuerza adicional similar al electromagnetismo. Estos y otros modelos de electromagnetismo y gravedad fueron perseguidos por Albert Einstein en sus intentos de una teoría de campo unificada clásica . En 1930, Einstein ya había considerado el sistema de Einstein-Maxwell-Dirac [Dongen]. Este sistema es (heurísticamente) el límite superclásico [Varadarajan] de la electrodinámica cuántica (no bien definida matemáticamente) . Se puede extender este sistema para incluir las fuerzas nucleares débil y fuerte y así obtener el sistema de Einstein-Yang-Mills-Dirac. La física francesa Marie-Antoinette Tonnelat publicó un artículo a principios de la década de 1940 sobre las relaciones de conmutación estándar para el campo cuantizado de espín 2, en un intento de unificar la relatividad general con la mecánica cuántica. Continuó este trabajo en colaboración con Erwin Schrödinger después de la Segunda Guerra Mundial . En la década de 1960, Mendel Sachs propuso una teoría de campos generalmente covariante que no requería recurrir a la renormalización ni a la teoría de perturbaciones. En 1965, Tonnelat publicó un libro sobre el estado de la investigación en teorías de campos unificadas.

En 1963, el físico estadounidense Sheldon Glashow propuso que la fuerza nuclear débil , la electricidad y el magnetismo podrían surgir de una teoría electrodébil parcialmente unificada . En 1967, el pakistaní Abdus Salam y el estadounidense Steven Weinberg revisaron independientemente la teoría de Glashow, haciendo que las masas de las partículas W y Z surgieran a través de una ruptura espontánea de simetría con el mecanismo de Higgs . Esta teoría unificada modeló la interacción electrodébil como una fuerza mediada por cuatro partículas: el fotón para el aspecto electromagnético, una partícula Z neutra y dos partículas W cargadas para el aspecto débil. Como resultado de la ruptura espontánea de simetría, la fuerza débil se vuelve de corto alcance y los bosones W y Z adquieren masas de 80,4 y91,2  GeV/c² ^, respectivamente. Su teoría recibió apoyo experimental por primera vez con el descubrimiento de corrientes neutras débiles en 1973. En 1983, el equipo de Carlo Rubbia produjo por primera vez los bosones Z y W en el CERN . Por sus aportaciones, Glashow, Salam y Weinberg recibieron el Premio Nobel de Física en 1979. Carlo Rubbia y Simon van der Meer recibieron el Premio en 1984.

Después de que Gerardus 't Hooft demostrara la consistencia matemática de las interacciones electrodébiles de Glashow-Weinberg-Salam, la teoría electrodébil se convirtió en un modelo para nuevos intentos de unificar las fuerzas. En 1974, Sheldon Glashow y Howard Georgi propusieron unificar las interacciones fuertes y electrodébiles en el modelo de Georgi-Glashow , la primera Gran Teoría Unificada , que tendría efectos observables para energías muy superiores a 100 GeV.

Desde entonces, se han presentado numerosas propuestas de Teorías de Gran Unificación que involucran grupos unificadores cada vez mayores. Si bien estas teorías son consistentes en sí mismas, ninguna propuesta ha dado solución a problemas pendientes en cosmología, como el problema de la asimetría bariónica o la masa faltante que ahora se atribuye a la materia oscura . Las pruebas experimentales de tales teorías requieren una escala de energía muy superior al alcance de los aceleradores actuales , por lo que ninguna evidencia empírica fuera de la cosmología puede guiar la teoría. ^{[ 9 ] : 310}

Las teorías de gran unificación hacen predicciones sobre las intensidades relativas de las fuerzas fuerte, débil y electromagnética, y en 1991 el LEP determinó que las teorías supersimétricas tienen la relación correcta de acoplamientos para una teoría de gran unificación de Georgi-Glashow. Muchas teorías de gran unificación (pero no la de Pati-Salam ) predicen que el protón puede desintegrarse , y si esto se observara, los detalles de los productos de desintegración podrían dar pistas sobre más aspectos de la teoría de gran unificación. Actualmente se desconoce si el protón puede desintegrarse, aunque los experimentos han determinado un límite inferior de 10³⁵ ^años para su vida media.

Los físicos teóricos aún no han formulado una teoría coherente y ampliamente aceptada que combine la relatividad general y la mecánica cuántica para formar una teoría del todo . Intentar combinar el gravitón con las interacciones fuerte y electrodébil conlleva dificultades fundamentales, y la teoría resultante no es renormalizable . La incompatibilidad de ambas teorías sigue siendo un problema pendiente en el campo de la física.