La supersimetría es el Holandés Errante de la física, muchas veces vislumbrada pero nunca demostrada, hasta la fecha. No es discutible que la física respiraría con alivio si se encontrara la supersimetría en algún experimentos de estos de alta energía donde colisionamos partículas como locos para excitar los campos con mucha energía y a ver qué sale…
El descubrimiento experimental de la supersimetría sería un bello broche final a la física teórica iniciada en el siglo XX y abriría las puertas, de par en par, de toda una nueva física que aún no controlamos pero de la que se ha elucubrado mucho.
Lo que podemos afirmar sin miedo a equivocarnos es:
Afortunadamente nuestro universo, en nuestra escala de energías, no es supersimétrico.
Vamos a intentar explicar el porqué hemos de alegrarnos de que la supersimetría no sea el pan nuestro de cada día. Básicamente es que no habría pan ni nadie para disfrutar del día.
Simetrías y supersimetrías
Puede que uno de los descubrimientos más fundamentales, más brutales, más reconfortantes y más crueles de la física se puede resumir en:
Tu punto de vista… no importa una mierda
Esto, dicho de una manera más elegante y más matemática se puede encontrar en los teoremas de Emmy Nöther.
Estos teoremas nos han enseñado que la física, entendiendola como la aproximación más fundamental al comportamiento y modos del universo, gusta de pasar de nuestros puntos de vista. Nuestros puntos de vista, nuestra forma de ver el mundo, nuestra forma de determinar el tiempo y el espacio, etc, son irrelevantes. La física es insensible a los distintos puntos de vista.
A la física le da igual si haces un experimento a las tres de la mañana o a las cuatro de la tarde, medido en tu reloj o el reloj de cualquier otro. La física es insensible a si haces un experimento en Beijing o en Nürnberg. Se la trae al pairo si lo haces mirando al oeste o al sureste. (Entendamos que hacemos siempre los experimentos en las mismas condiciones, evidentemente si uno quiere medir las propiedades de la luz del Sol conviene hacerlo de día, pero ya me entendéis)
Estos argumentos, y otros análogos extendidos a situaciones más extravagantes, nos condenan a aceptar la existencia de propiedades conservadas, la energía, el momento lineal, el momento angular, la carga eléctrica, bla, bla, bla…
Pero no solo eso, esos mismos argumentos especifican de manera unívoca las interacciones elementales. Es decir, nos dicen que el electromagnetismo, la gravedad, la interacción débil o la interacción fuerte han de existir y han de tener tal o cual propiedades.
Lo sé, entiendo perfectamente lo que sentís en este momento:
Lo que nosotros llamamos leyes de la física no son más que cosas que nos recuerdan que nuestra opinión es totalmente irrelevante. Es una lección a tener en cuenta.
En definitiva, lo que estamos diciendo es que podemos hacer cambios para que nada cambie. Por ejemplo, si invirtiéramos todas las velocidades de todas las partículas del universo a la vez, la cosa seguiría tan ricamente, la naturaleza no se inmutaría. Si cambiamos todas las partículas por antipartículas, más de lo mismo.
Pues bien, a nivel fundamental podemos identificar distintas características de las partículas elementales. Las partículas tienen cargas, eléctricas, débiles, fuertes, etc. Eso les permite interactuar e intercambiar energía o momentos entre ellas, eso sí, la cantidad total de esas magnitudes ha de conservarse. Las partículas han de tener masa que es una medida de lo que cuesta cambiar su estado de movimiento, acelerarlas o frenarlas al estar sujetas a distintas interacciones. Y las partículas tienen una propiedad denominada espín. El espín es el espín. Es una propiedad que poseen las partículas, como su masa o su carga, y la poseen porque esta propiedad está impuesta por eso que hemos dicho antes – Tu punto de vista es… en fin, dejémoslo ahí-. El espín por lo tanto, es una cantidad conservada y hay interacciones que dependen del espín.
Bosones y fermiones
Lo interesante del espín es que permite clasificar las partículas en dos grandes grupos. El espín, condenado por su origen y su definición, puede tener valores enterios 0, 1, 2,…, o valores semienteros, 1/2, 3/2,…. en algunas unidades (no vienen al caso pero son las unidades de la constante de Planck). Así a las partículas con espín entero se denominan bosones y a las partículas con espín semientero se denominan fermiones.
¿Lo entiendes? Claro que lo entiendes, igual que entiendes tu nombre, el nombre de tus hermanos, el nombre de tus hijos, el nombre de tus amistades, etc. Es un nombre, bosón tiene espín entero, fermión tienen espín semientero. No le des más vueltas.
Un ejemplo de bosón es el fotón, la partícula elemental de la luz o de la radiación electromagnética. Un ejemplo de fermión es el electrón, que es una partícula bastante importante para nuestros quehaceres cotidianos y nunca bien ponderada.
Ser fermión o bosón imprime carácter. Por el mero hecho de ser un fermión o un bosón las partículas están condenadas a tener distintos comportamientos que se ponen de manifiesto cuando ponemos otros fermiones u otros bosones del mismo tipo en el mismo sistema. Por ejemplo, si tenemos un conjunto de electrones, fermiones idénticos todos ellos en un átomo, no hay forma de ponerlos todos en el mismo estado. Es decir, no podemos ponerlos todos con los mismos valores en todas sus etiquetas, no pueden tener todos la misma energía. Solo dos de ellos pueden tener la misma energía, si intento poner un tercero… simplemente no puedo, está totalmente prohibido.
Los bosones son mucho más sociables, a los bosones les gusta estar todos en el mismo estado, ahí revueltos, perdiendo casi su identidad y formando un revoltijo de los buenos donde es difícil decir quién es quién.
Supersimetría
Ahora voy a ser un poco laxo en cuanto a la historia de la física se refiere. Confiad en mí, tampoco se aleja mucho de la realidad lo que voy a contar.
Una vez que se tuvo constancia de la existencia de los fermiones y los bosones con sus particulares comportamientos la pregunta inmediata que se hicieron es: ¿Qué pasa si cambiamos todos los fermiones por bosones y viceversa? ¿Será la física insensible a tal cambio? ¿Será esa una nueva simetría?
Después de muchos dimes y diretes la cuestión se resolvió en positivo. Sí, hay una simetría que permite cambiar fermiones por bosones. La supersimetría.
El problema es que la supersimetría no podía relacionar los bosones conocidos, por ejemplo el fotón, con fermiones conocidos, por ejemplo el electrón. Esas dos partículas no se parecen ni en los andares, por ejemplo el fotón anda bastante rápido. Para que la física no se enterara del cambio de bosones por fermiones tendría que existir por cada bosón conocido un fermión de la misma masa y la mismas características pero con un espín semientero. Y viceversa, por cada fermión conocido tendría que existir un bosón de la misma masa y las mismas características pero con un espín entero. El problema es que esas partículas compañeras supersimétricas de las conocidas no están a nuestro alrededor, porque evidentemente de estar ya las habríamos detectado igual que hemos detectado las que sí que están.
La supersimetría está rota
No pasa nada, hay una solución posible. Si bien la naturaleza es supersimétrica en sus niveles más fundamentales, su realización no se da a nuestra escala de energía. Se dice que la supersimetría está rota. En el proceso de "rotura" un miembro de cada pareja supersimétrica adquiere una masa muy elevada y el otro una masa muy pequeña. Evidentemente, en nuestro entorno birrio-energético las únicas partículas que vemos son las más ligeras posibles. Las compañeras simplemente no aparecen porque no hay la suficiente energía disponible para mantenerlas estables. Si una partícula está muy por encima de la energía de su entorno tenderá a decaer, a convertirse en otras partículas más ligeras siempre y cuando se respeten todas las leyes de conservación involucradas.
Por eso se busca la supersimetría en los aceleradores de partículas actuales, el LHC fundamentalmente, porque se recrean condiciones de energía tan elevadas que la supersimetría ha de poder ser "visible" y encontrar pares de partícula y superpartícula compañera. En eso están ahora los buscadores de partículas y ojalá que la encuentren.
Afortunadamente
En cierto sentido es muy conveniente que la supersimetría, en caso de haberse realizado en nuestro universo, se haya roto. ¿Por qué?
Bueno porque si no se hubiera roto encontraríamos procesos en los que un electrón de esos de toda la vida (un fermión) podría convertirse en su compañera supersimétrica, que tiene el original nombre de selectrón. El selectrón tiene la misma masa, la misma carga del electrón solo que tiene un espín entero, es un bosón. En ese proceso se emitiría un fotino que es la partícula supercompañera del fotón, como este no tendría masa en resposo, se movería a la velocidad de la luz y no tendría carga eléctrica.
Vale, bien… ¿es eso un problema?
Sí, lo es.
Pensemos una cosa, los electrones son fermiones así que si tenemos muchos fermiones (más de dos) en un átomo estamos seguros de que no habrá más de dos con la misma energía. No se pueden poner más, así lo dijo Pauli (y no solo lo dijo sino que está demostrado, es la esencia del fermión).
Podemos pensar que los átomos se organizan por cajas en los distintos niveles de energía. En el primer nivel de energía hay una caja. En el segundo nivel de energía hay cuatro cajas. Y así podríamos seguir pero sería aburrido. En cada una de esas cajas caben dos y solo dos electrones como mínimo. Por lo tanto, en el primer nivel de energía caben 2 electrones y en el segundo nivel de energía caben 8 electrones, cada par en su caja.
El Hidrógeno solo tiene un electrón, así que no hay un problema, puede estar en el estado de menor energía…, al cajón. El Helio tiene dos electrones, sin problema, los dos pueden estar en el nivel de menor energía…, al cajón.
La cosa se pone interesante con el Litio que tiene tres electrones. Evidentemente caben dos en el primer nivel de energía, pero solo dos. El tercer electrón se tendrá que disponer en un nivel de energía superior, de las cuatro cajas que tiene a su disposición pues que elija una y que se ponga cómodo.
Una concepción artística, donde no hay subdivisiones de cajas de los niveles, solo se indican estos niveles de energía y el número total de electrones que caben (dos por cada caja o subnivel de energía), la podemos encontrar en la siguiente representación:
Ahora bien… Imaginemos que estamos en un mundo supersimétrico. Imaginemos que tenemos el átomo de Litio y que por lo tanto tenemos tres electrones. Pero como la supersimetría está presente, el tercer electrón podría convertirse en un selectron emitiendo un fotino. El selectrón se quedaría ahí en el átomo ocupando el lugar del electrón. Bueno, tiene la misma masa y carga así que no es muy importante, ¿o sí?
El problemilla es que el selectrón es un bosón, así que nada le impide caer hasta el estado más bajo de energía, hacia la primera de las cajas del Litio. Oh, hemos perdido la disposición de electrones del Litio, es decir, hemos perdido su comportamiento químico, el comportamiento que tanto nos gusta en este nuestro universo. Y el problema puede ser peor, este proceso se puede dar lugar en todos los electrones y todos caerían a la caja de energía más baja, son bosones pardiez, gustan de estar todos apretujados en el mismo estado. Y entonces fuera la química del Litio. El problema es que eso pasaría con el Oxígeno, el Carbono, el Nitrógeno… esos atomillos que son la base de la vida.
Por lo tanto, es una suerte que nuestro universo no sea supersimétrico en nuestra escala.
Nos seguimos leyendo…
Nota: Los elementos químicos los he escrito en mayúsculas porque me ha parecido una buena idea. No lo hagáis en casa.
Otra nota: Si os habéis quedado con ganas de saber sobre bosones, fermiones, Noether o supersimetría… USAD EL BUSCADOR DEL BLOG ;)
Archivado en: partículas elementales, química, teoría cuántica de campos Tagged: átomos, bosones, fermiones, niveles de energía, química, supersimetría
