La materia a través del espejo


¿Existe un mundo al otro lado del espejo? Los físicos están muy interesados en resolver varios problemas que podrían estar íntimamente relacionados. Cosas tales como la asimetría materia/antimateria, el por qué no vemos partículas con quiralidad derecha, la naturaleza de la materia oscura, etc, están bajo el punto de mira de muchos investigadores.

Una de las propuestas para resolver estos problemas es la de la existencia de un mundo especular.  En esta entrada explicaremos en qué se basa esta idea y, posteriormente, hablaremos de los resultados experimentales al respecto que involucran neutrones.

Tomando inspiración en la materia oscura

Para una breve discusión sobre la materia oscura:  Arrojando luz sobre la materia oscura II.  Hoy día tenemos bastante confianza en que la materia oscura ha de estar formada por partículas no bariónicas, al menos esta componente ha de ser importante para explicar su naturaleza. Surge un problema al notar que en el modelo estándar de partículas (usa la búsqueda del blog) no contiene partículas estables de este tipo.  Esto nos lleva a pensar que la explicación a la materia oscura está en física aún no descubierta, física más allá del modelo estándar.

Simetría a través del espejo

Se suponía que si en nuestras teorías físicas cambiábamos el signo de las coordenadas espaciales todo seguiría igual, las leyes seguirían siendo válidas. Esto implica la invariancia de las leyes físicas a través del espejo.

Sin embargo, en 1956 Lee y Yang propusieron que la interacción débil no era

Doctora Wu

invariante bajo esta simetría especular. Esto se comprobó experimentalmente alrededor de 1957 por el grupo de la doctora Wu.

Los experimento llevados a cabo para comprobar esto desde entonces han mostrado que:

Las partículas usuales y las interacciones usuales se comportan del tal forma que la simetría especular (paridad) se presenta rota.

Una discusión sobre la paridad se puede encontrar aquí:  Entre uno y otro… (primera parte).

Representemos las interacciones físicas por un objeto, una esfera, y pongamos un espejo representando la acción de la paridad. La imagen de la esfera a ambos lados del espejo es la misma, esto representa que las interacciones son invariantes bajo la acción de la paridad (cambiar derecha por izquierda):

Como hemos dicho, la interacción débil no respeta esta simetría. Las partículas tienen una característica, quiralidad. Esta propiedad depende del espín de la partícula y es un tanto abstracta, está relacionada con la forma en la que las partículas (su estado cuántico) se transforma bajo transformaciones de Poincaré (que vienen de la relatividad especial). Se dice que las partículas son diestras o zurdas.  Lo que sabemos experimentalmente es que las partículas del modelo estándar son zurdas.  Entonces, la participación de la interacción débil introduce una asimetría en la analogía del espejo. Si representamos la participación de la interacción débil con una flecha:

La propuesta

A los físicos les gustan las simetrías. Esto es comprensible, siempre que hay una simetría hay cantidades conservadas y uno controla los fenómenos sabiendo que hay cosas que no cambian netamente, sólo se transforman de la forma adecuada para que la simetría se preserve.

Además, no hay ninguna razón fundamental para que la física a un lado y otro del espejo (es decir, después de aplicar una transformación de paridad en nuestras fórmulas) sea diferente. Por este motivo algunos físicos propusieron:

En la naturaleza tenemos el doble de partículas de las que conocemos. Cada partícula conocida (zurda) tiene una compañera especular (diestra).

Esto implica que cada partícula como el electrón, el fotón, el neutrón, el protón, etc, tienen partículas asociadas idénticas a ellas sólo que son diestras en lugar de zurdas (a las partículas especulares las denotamos con una prima).

e|e'

\gamma|\gamma'

p|p'

\nu|\nu'

n|n'

Esto implicaría que deben de existir otras partículas que aún no hemos visto y que la simetría especular no está rota.

¿Dónde están estas partículas?

Como hemos dicho hay experimentos que confirman que las partículas usuales no son simétricas a ambos lados del espejo. Pero esto no dice que no existan otras partículas gemelas a estas que en vez de ser zurdas sean diestras. Pero estas nunca la hemos visto… o sí.

Daremos algunas propiedades de estas partículas especulares:

1.-  El bosón de Higgs también tendría un compañero especular. Los modelos nos dicen que este interaccionaría con las partículas especulares de la misma forma que el Higgs normal con la materia normal. Esto implica que las masas de las partículas usuales y de sus compañeras especulares sería la misma.

2.-  La materia usual y su imagen especular interactuarían entre si sólo a través de la gravedad. El resto de interacciones no acoplan bien partículas zurdas con partículas diestras.  Esto implica que los fotones usuales no interactuarían con las partículas especulares… Estas serían oscuras.

Esto explicaría por qué no hemos detectado aún estas partículas en los laboratorios. Porque simplemente es muy difícil y su interacción con nuestros aparatos de materia normal es muy, muy débil.

En siguientes entradas explicaremos las posibles evidencias indirectas de esta materia especular y otros experimentos más directos que involucran un comportamiento anómalo o inesperado en los neutrones.

Nos seguimos leyendo…

Referencia técnica: Mirror particles and mirror matter: 50 years of speculation and search

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2 Respuestas a “La materia a través del espejo

  1. Felicitarte una vez más. Esto es física al extremo. Nos acercas la física del futuro, y quiero empaparme este fin de semana de cuanto expones. Quiero tener tiempo para repasar y recabar información sobre tantos conceptos, realidad y realidad virtual, simetría, números reales e imaginarios, neutrones que desaparecen, efecto túnel en cuántica…..

    Cc pero dónde escondes tus defectos. Eres un perfeccionista. Profesional, experto, creativo, didáctico, claro, comunicador. Muy admirada por todo el trabajo que ni puedo imaginar está detrás de esta presentación. Aplausos.

  2. Pingback: La materia a través del espejo | Ciencia-Física | Scoop.it

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