Las asimetr¨ªas de la naturaleza

Bajo el signo de la simetr¨ªa y la belleza se ha concedido este a?o el Premio Nobel de F¨ªsica a tres te¨®ricos de part¨ªculas, Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa. Y tambi¨¦n bajo la interrogante e inquietante sombra de una omisi¨®n.

?Qu¨¦ es una simetr¨ªa? Una transformaci¨®n que deja algo igual o equivalente al original. Por ejemplo, los dos lados de una cara son geom¨¦tricamente sim¨¦tricos. El n¨²mero 8 es sim¨¦trico bajo reflexi¨®n en un espejo: su imagen y la reflejada son id¨¦nticas. Si se gira 60 grados un copo de nieve, parecer¨¢ exactamente igual que antes del giro.

A veces las simetr¨ªas no son evidentes, est¨¢n escondidas. Un ejemplo es el de una pelota en la cima de una colina. Est¨¢ en un estado claramente sim¨¦trico respecto a las posibles direcciones de ca¨ªda. Pero la menor perturbaci¨®n la har¨¢ rodar, y si cuando la encontramos ya est¨¢ abajo, quiz¨¢s no nos demos cuenta de que todas las direcciones son equivalentes.

Toda la materia del universo visible est¨¢ hecha de un 'kit' b¨¢sico de part¨ªculas

En los laboratorios producimos tanta antimateria como materia

Bajo el aparente caos y arbitrariedad de la naturaleza, se esconden tambi¨¦n simetr¨ªas. Sencillas y fascinantes simetr¨ªas que rigen las fuerzas del cosmos al nivel m¨¢s fundamental. No necesariamente saltan a la vista. Nambu se dio cuenta de que algunas fuerzas que act¨²an sobre las part¨ªculas elementales podr¨ªan obedecer a simetr¨ªas exactas, pero ocultas: bellas simetr¨ªas escondidas que se conocen por el inapropiado nombre de espont¨¢neamente rotas.

Nambu ide¨® un mecanismo de ocultaci¨®n de simetr¨ªas que ha resultado esencial en el entendimiento del microcosmos, y m¨¢s concretamente en la construcci¨®n del Modelo Est¨¢ndar de f¨ªsica de part¨ªculas. Su aplicaci¨®n m¨¢s impactante permite que las part¨ªculas portadoras de fuerzas puedan tener masas muy diferentes y, sin embargo, ser equivalentes e intercambiables gracias a la simetr¨ªa exacta subyacente. Las diferencias de masa sencillamente eclipsan la simetr¨ªa. Por ejemplo, las fuerzas electromagn¨¦tica y d¨¦bil (cuya vertiente m¨¢s conocida es la radiactividad) han sido identificadas como debidas al mismo fen¨®meno de base, a la misma simetr¨ªa, a pesar de que sus respectivas part¨ªculas portadoras tienen masas muy diferentes y, por tanto, alcance muy diferente.

Tambi¨¦n la popular part¨ªcula de Higgs, esencial en el origen de la masa de todo lo visible y objetivo del acelerador LHC del CERN (Laboratorio Europeo de F¨ªsica de Part¨ªculas, junto a Ginebra), basa su esperada existencia en una aplicaci¨®n del mecanismo premiado.

Nambu, japon¨¦s nacionalizado estadounidense, ha hecho otras contribuciones espectaculares a la f¨ªsica te¨®rica. Sobresale como una figura de inmensa talla cient¨ªfica y es el suyo un Premio Nobel indiscutible y pendiente desde hace muchos a?os.

La otra mitad del premio se?ala los soberbios trabajos de los cient¨ªficos japoneses Kobayashi y Maskawa sobre otra fascinante simetr¨ªa, ¨¦sta rota de verdad, que relaciona materia con antimateria y se apoya en la existencia de una tercera familia de part¨ªculas elementales. Toda la materia del universo visible est¨¢ hecha de un peque?o kit b¨¢sico de part¨ªculas-Lego, dos de las cuales son quarks. A ese kit b¨¢sico se le llama primera familia. Sin embargo, en colisiones de alta energ¨ªa se producen dos r¨¦plicas m¨¢s pesadas de ese kit.

Kobayashi y Maskawa fueron quienes propusieron la existencia de la tercera familia r¨¦plica, luego confirmada experimentalmente. Adem¨¢s, se?alaron que con tres familias en el seno del Modelo Est¨¢ndar se pod¨ªa violar una cierta simetr¨ªa llamada CP. CP relaciona materia con antimateria, o si se prefiere cada part¨ªcula con su antipart¨ªcula.

Materia y antimateria se comportan casi igual, pero no del todo. Una part¨ªcula y su antipart¨ªcula tienen la misma masa pero carga opuesta. Obviamente, el mundo que nos rodea est¨¢ hecho de materia, no de antimateria, y fue pues muy bienvenido el que la teor¨ªa que pretende explicar las interacciones b¨¢sicas reflejara esa asimetr¨ªa ya a nivel microsc¨®pico, en su mismo esqueleto.

Los experimentos realizados en laboratorio sobre violaci¨®n de CP confirman el mecanismo premiado. Lo que sin embargo no ha explicado ese mecanismo es la asimetr¨ªa materia-antimateria observada en el mundo macrosc¨®pico, es decir, c¨®mo es que no hay traza alguna de antimateria tras la evoluci¨®n cosmol¨®gica del universo posterior al Big Bang, cuando tanto en rayos c¨®smicos como en nuestros laboratorios producimos con facilidad tanta antimateria como materia. Es ¨¦ste uno de los grandes misterios cient¨ªficos que aguardan resoluci¨®n. El trabajo de Kobayashi y Maskawa, aunque no lo explica, sirve de gu¨ªa en tal b¨²squeda.

Todo ello est¨¢ muy bien... si no fuera porque el mecanismo se conoce en la comunidad cient¨ªfica por mecanismo CKM, acr¨®nimo de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa. Al conocerse la noticia del Nobel para Kobayashi y Maskawa, la reacci¨®n t¨ªpica de los colegas ha sido "Ah, ?qu¨¦ bien! ?qu¨¦ bien!... pero [mirada perpleja]... ?y Cabibbo?".

Nicola Cabibbo es un gran f¨ªsico italiano al que se atribuye la paternidad ¨²ltima del mecanismo. All¨¢ por los a?os sesenta reinaba el caos en el entendimiento de las desintegraciones de muchas part¨ªculas. El tiempo y los productos de desintegraci¨®n variaban mucho y de modo extra?o. En medio de aquel marasmo, Cabibbo supo ver una incre¨ªble regularidad: que actuaba una ¨²nica fuerza, la d¨¦bil o radiactiva, y por tanto una ¨²nica intensidad, pero los quarks s¨®lo participaban combinados en mezclas particulares, en c¨®cteles de quarks de masas diferentes. Hab¨ªa nacido el concepto de mezcla de familias.

Kobayashi y Maskawa sencillamente generalizaron esa idea de mezcla de Cabibbo de dos a tres familias: la tercera tiene que mezclarse con las otras dos para que haya violaci¨®n de CP. As¨ª pues, aun celebrando la muy acertada atribuci¨®n del Premio Nobel a Kobayashi y Maskawa, hay una triste perplejidad por la omisi¨®n de Cabibbo. Se dir¨ªa que tambi¨¦n algo de asimetr¨ªa parece haber permeado esta elecci¨®n.

El comit¨¦ Nobel ha significado, pues, este a?o trabajos te¨®ricos fundamentales para identificar las simetr¨ªas, exactas o rotas, que describen el orden escondido de la naturaleza. Ellas son clave en la b¨²squeda del origen de la masa de todo el universo visible y de las mezclas entre sus constituyentes. Tal es el reto presente en f¨ªsica de part¨ªculas. El paso siguiente podr¨ªa ser el descubrimiento de la part¨ªcula de Higgs en el LHC. Sospechamos que tras ¨¦l nos aguardan nuevas simetr¨ªas apasionantes.

Bel¨¦n Gavela es catedr¨¢tica de F¨ªsica Te¨®rica de la Universidad Aut¨®noma de Madrid.