Que tu mano derecha no sepa lo que hace la izquierda


Hoy nos ocupamos de una característica sutil de la naturaleza.  Aunque generalmente la física no cambia si reflejamos los procesos en un espejo hay situaciones en la que existe una diferencia entre el proceso mirado a uno y otro lado del espejo.  Esto depende de una propiedad de las partículas y sus interacciones denominada quiralidad.

Aunque a primera vista puede parecer una cuestión menor, el hecho de tener interacciones quirales (que distinguen izquierda y derecha) es una propiedad importante en nuestro universo. De hecho, como veremos en breve en alguna entrada, es un requisito importante para saber si un modelo (derivado de la teoría de cuerdas, por ejemplo) puede acomodar la física que nos rodea a nivel de las partículas elementales. Trataré de hacer la discusión lo más simple posible.

Quiralidad

En términos geométricos decimos que algo es quiral cuando no se puede superponer con su imagen especular. Es decir, el procedimiento para decidir si algo es quiral o no es el siguiente:

  • Tomamos el objeto.
  • Lo enfrentamos a un espejo.
  • Ahora imaginamos que ambos objetos, el real y el reflejado podemos moverlos.
  • Intentamos poner uno sobre el otro.
  • Si estos no coinciden se dice que el cuerpo es quiral.

Ejemplo de un sistema con quiralidad. El objeto y su imagen no se pueden superponer de forma perfecta.

Sin embargo, de lo que queremos de hablar aquí es de una característica de las partículas elementales que se denomina quiralidad. Esto está relacionado con la invariancia de las leyes físicas al hacer reflexiones de las magnitudes físicas. Está relacionado con la acción de la Paridad.

Para refrescar la memoria sobre la paridad os recomiendo estas dos entradas:

Papá, ¿qué son las simetrías C, P y T?

Entre uno y otro… Primera parte

A veces si importa ser de derechas o de izquierdas

En principio no hay ninguna razón para pensar que la física a un lado y otro del espejo se comporten de diferente manera. De hecho cuando uno mira las interacciones fundamentales encuentra hay tres que verifican esta idea, a saber:

  1. Gravedad.
  2. Electromagnetismo.
  3. Interacción fuerte.

Sin embargo, la interacción débil sí que distingue entre una situación y otra.

La primera evidencia que se tuvo de este hecho vino dada por el famosísimo experimento de la por el famosísimo experimento de Wu realizado en 1956.  En este experimento se medía la desintegración de un núcleo de Cobalto 60. Este núcleo se transforma en un núcleo de Niquel, emitiendo además electrones, neutrinos y fotones.

El dispositivo experimental empleado (explicaremos en una entrada aparte) hacía que fuera posible simular la situación “a ambos lados del espejo”. Y lo que se encontró fue sorprendente, se vio que los electrones eran emitidos en el sentido contrario del momento angular del núcleo (el momento angular nos informa del giro de este núcleo). Y la situación opuesta, electrones saliendo en la misma dirección que la del momento angular, estaba muy suprimida.

Por primera vez había una interacción que violaba paridad (pedestremente, que distingue la derecha de la izquierda).  Y este proceso era debido a la interacción débil, por lo tanto la interacción débil se dice que es una interacción quiral.

Quiralidad y partículas

La partículas elementales tienen una propiedad que se denomina quiralidad. He pensado mucho sobre como explicar esto y la verdad no he encontrado ninguna forma. La quiralidad es una característica cuántica de las partículas que nos informa de cómo se transforman sus estados cuánticos cuando efectuamos una determinada transformación relativista (de Poincaré).

Lo que podemos decir es que cuando uno habla de un electrón (físico) en realidad está hablando de un sistema que oscila entre dos partículas. Lo que se llama el L-eletrón (electrón a izquierdas o zurdo) y el R-electrón (electrón a derechas o diestro).

Es decir, un electrón es una composición de dos estados diferentes:

Lo que llamamos electrón es una mezcla de una parte R-electrón y una parte L-electrón.

Esta distinción puede parecer superflua, sin embargo, la interacción débil (la mediada por el bosón W) sólo interacciona con el L-electrón y no con el R-electrón.  (Esto se puede extender a todos los fermiones).

Lo que de verdad hace el Higgs

Volviendo al tema del Higgs hemos usado muchas veces la analogía del famoso (que hay mucha gente en contra, con toda la razón, pero que es razonablemente efectiva para ser divulgada), también hemos explicado el mecanismo de la rotura de simetría con el ejemplo del sobrero mexicano.  Podéis ver las entradas sobre el Higgs pulsando AQUÍ.

Sin embargo, la mejor visión para el proceso por el que el Higgs dota de masa a partículas como el electrón depende de conocer, al menos un poco, el concepto de quiralidad.  El campo de Higgs, una vez rota su simetría, tiene la afición de que al llegarle un L-eletrón lo cambia a un R-electrón y así sucesivamente. Este hecho, el mezclar componentes L- y R- de los electrones es lo que dota de masa al electrón.

Las cruces indican la interacción con el campo de Higgs.

La importancia de la quiralidad

La quiralidad es una característica importante de las partículas y de las interacciones.  De hecho, es una característica importante del universo en el que habitamos. El hecho de que la interacción débil sea quiral (viole la paridad, P), o de que en la interacción fuerte haya un proceso de rotura de simetría quiral, es un elemento muy a tener en cuenta.

En próximas entradas hablaremos de modelos fenomenológicos de teoría de cuerdas, aquellos que intentan extraer el modelo estándar a partir de la teoría. Un elemento esencial es que describa fermiones quirales.

Para seguir leyendo:

Helicity, Chirality, Mass, and the Higgs  Excelente entrada del blog Quantum Diaries sobre este tema. En inglés.

Los mitos del bosón de Higgs Artículo de Francis Villatoro en la revista Feelsynapsis (pag. 90) muy recomendable.

Nos seguimos leyendo…

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6 Respuestas a “Que tu mano derecha no sepa lo que hace la izquierda

  1. Pingback: Simetría, a veces, mejor rota | Cuentos Cuánticos

  2. Muy didactica la esplicaciòn, pero como que medio se me enreda con la violaciòn C, P y T.

  3. Pingback: Que tu mano derecha no sepa lo que hace la izquierda

  4. Pingback: Partículas | Annotary

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