Teoría Electrodébil

Teoría electrodébil, en física, la teoría que describe tanto la fuerza electromagnética como la fuerza débil. Superficialmente, estas fuerzas parecen bastante diferentes. La fuerza débil sólo actúa a través de distancias más pequeñas que el núcleo atómico, mientras que la fuerza electromagnética puede extenderse a grandes distancias (como se observa en la luz de las estrellas que atraviesan galaxias enteras), debilitándose sólo con el cuadrado de la distancia. Además, la comparación de la fuerza de estas dos interacciones fundamentales entre dos protones, por ejemplo, revela que la fuerza débil es unos 10 millones de veces más débil que la fuerza electromagnética. Sin embargo, uno de los principales descubrimientos del siglo XX ha sido que estas dos fuerzas son facetas diferentes de una única fuerza electrodébil más fundamental.

La teoría electrodébil surgió principalmente de los intentos de producir una teoría gauge autoconsistente para la fuerza débil, en analogía con la electrodinámica cuántica (QED), la exitosa teoría moderna de la fuerza electromagnética desarrollada durante la década de 1940. Hay dos requisitos básicos para la teoría gauge de la fuerza débil. En primer lugar, debe mostrar una simetría matemática subyacente, denominada invariancia gauge, de forma que los efectos de la fuerza sean los mismos en diferentes puntos del espacio y del tiempo. En segundo lugar, la teoría debe ser renormalizable, es decir, no debe contener cantidades infinitas no físicas.

Durante la década de 1960, Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg descubrieron de forma independiente que podían construir una teoría invariante de la fuerza débil, siempre que incluyeran también la fuerza electromagnética. Su teoría requería la existencia de cuatro partículas «mensajeras» o portadoras sin masa, dos cargadas eléctricamente y dos neutras, para mediar en la interacción electrodébil unificada. El corto alcance de la fuerza débil indica, sin embargo, que es transportada por partículas masivas. Esto implica que la simetría subyacente de la teoría está oculta, o «rota», por algún mecanismo que da masa a las partículas intercambiadas en las interacciones débiles pero no a los fotones intercambiados en las interacciones electromagnéticas. El mecanismo asumido implica una interacción adicional con un campo que no se ve, llamado campo de Higgs, que impregna todo el espacio.

A principios de la década de 1970, Gerardus ‘t Hooft y Martinus Veltman proporcionaron la base matemática para renormalizar la teoría electrodébil unificada propuesta anteriormente por Glashow, Salam y Weinberg. La renormalización eliminó las incoherencias físicas inherentes a los cálculos anteriores de las propiedades de las partículas portadoras, permitió realizar cálculos precisos de sus masas y condujo a una aceptación más general de la teoría electrodébil. La existencia de las partículas portadoras de la fuerza, las partículas neutras Z y las cargadas W, se verificó experimentalmente en 1983 en colisiones de protones y antiprotones de alta energía en la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN). Las masas de las partículas fueron consistentes con sus valores predichos.

Las características de la fuerza electrodébil unificada, incluida la fuerza de las interacciones y las propiedades de las partículas portadoras, se resumen en el Modelo Estándar de la física de partículas.