La simetría es uno de los principios más profundos y elegantes de la física moderna. Describe la invariancia de un sistema físico bajo transformaciones específicas, como la rotación, la traducción en espacio o tiempo, o cambios en el marco de referencia. Esta invariancia a menudo revela una estructura profunda subyacente y simplifica problemas intráctiles de otra manera. Por ejemplo, las leyes de la física siguen siendo idénticas si se realiza un experimento en Nueva York o Tokio, a la conexión temporal formal o la noche. Teorema de Noether, una piedra angular de la física teórica que une cada simetría continua de la acción de un sistema a una cantidad conservada.

Sin este principio, nuestra comprensión de las fuerzas fundamentales y el comportamiento de las partículas sería severamente limitada. La simetría hace más que producir leyes de conservación; también limita la forma de ecuaciones físicas. Requirir que el electromagnetismo sea invariable bajo transformaciones de Lorentz cede directamente las ecuaciones de Maxwell, y la química exigente

El papel de la simetría en las leyes físicas

El teorema de Noether, probado por el matemático Emmy Noether en 1918, es posiblemente uno de los resultados más importantes en la física teórica. Afirma que por cada simetría diferenciable de la acción de un sistema físico, existe una ley de conservación correspondiente. La simetría bajo traducciones espaciales da conservación del impulso lineal; simetría bajo rotación da conservación de la energía angular; y simetría de tiempo de conservación Teorema de Noether no es sólo una curiosidad histórica — se utiliza activamente hoy para derivar leyes de conservación en la teoría del campo cuántico y la relatividad general.

Más allá de las leyes de conservación, las simetrías guían la construcción de teorías físicas. Por ejemplo, el requisito de que las leyes de la física sean las mismas para todos los observadores inerciales (relatividad) conduce a las propiedades de transformación de Lorentz de campos. De igual manera, simetrías de calibre — transformaciones locales que dejan la física sin cambios— refuerzan la introducción de partículas de carga de fuerza (2).

Símetrias en Física de partículas

La física de partículas explora una rica variedad de simetrías, exactas y aproximadas. Estas simetrías dictan qué interacciones se permiten y cómo se comportan las partículas. Los tipos más importantes incluyen simetrías de calibre, simetrías de los quirales y simetrías discretas como la conjugación de carga (C), la paridad (P) y la reversal del tiempo (T).

Simmetría de Gauge

La simetría de Gauge es una simetría local, significa que las leyes de la física no cambian cuando una transformación varía de un punto a otro en el espacio y el tiempo. Este concepto es la base de las tres fuerzas fundamentales descritas por las Modelo estándarLa interacción electromagnética surge de una simetría de calibre U(1), la fuerza débil de SU(2), y la fuerza fuerte de SU(3). Cada simetría de calibre requiere la existencia de partículas de carga de fuerza: fotones, W y Z bosons, y gluones, respectivamente. El hecho de que estas simetrías son exactas (aunque a veces se rompen espontáneamente) subyace la notable precisión de Gauornormal.

Simetría de la Chiral

Simetría biliar se relaciona con la entrega de partículas — sus componentes zurdos y de derecha—. En el Modelo Estándar, las parejas de interacción débil sólo a partículas zurdas (y antipartículas derechas), un fenómeno conocido como violación de la paridad máxima. Simetría uterina es una simetría aproximada de la fuerte interacción, y su ruptura espontáneo da lugar a la medónica ligera

Sindicalidades discretas: C, P y T

Sin embargo, los físicos creían que eran simetrías exactas de las interacciones fundamentales, pero los experimentos en los años 50 y 1960 demostraron lo contrario. La interacción débil viola la paridad (P) máximamente y también viola el CP (la combinación de la conjugación de carga) La matriz estándar es una intromisión de la nueva generación.

Otra importante simetría discreta es la reversión del tiempo (T).El teorema combinado del CPT -que sostiene que cualquier teoría local del campo cuántico invariable de Lorentz debe ser invariante bajo el funcionamiento combinado de la conjugación de carga, paridad y reversión del tiempo- es un resultado fundamental. Simetría del CPT implica que si se viola el PC, T también debe ser violado para preservar el CPT. Pruebas experimentales de la simetría del CPT colocan restricciones estrictas sobre teorías de la gravedad cuántica y la teoría de cuerdas. Por ejemplo, comparaciones de precisión de partículas y antipartículas (como el sistema de kaon neutro) establecen límites extremadamente estrictos en la violación del CPT.

Simmetría de ruptura y el mecanismo Higgs

Mientras que las simetrías son fundamentales, muchos no se manifiestan en el mundo cotidiano, son "rompidos" de varias maneras. simetría espontánea quebrando, donde las leyes subyacentes son simétricas pero el estado real del sistema (el vacío) no lo es. Un ejemplo clásico es un ferromagnet: el Hamiltonian para las columnas es simétrico rotacional, pero debajo de la temperatura Curie las vueltas se alinean en una dirección específica, rompiendo la simetría rotacional. La misma idea se aplica a la física de partículas.

El ejemplo principal de la simetría espontánea que rompe en la física de partículas es el Mecanismo de HiggsEn el Modelo Estándar, la simetría de medidor electroweak SU(2)×U(1) se rompe espontáneamente al electromagnético U(1) por el valor de expectativa de vacío del campo Higgs. Este rompimiento da masa a los bosons W y Z mientras deja el fotón sin masa. También da masas a los fermions acoplamientos de Yukawa. El bosón Higgs - el campo de excitación cuántica de HiERN 2012 El descubrimiento de Higgs boson Sin el mecanismo Higgs, la fuerza débil sería una fuerza de largo alcance como el electromagnetismo, y las partículas serían in masa, haciendo que el universo fuera un lugar muy diferente.

La ruptura de la simetría también genera Bosons Goldstone—partículas de escalar inmaculadas que aparecen cuando una simetría global continua es espontáneamente rota. En el caso de la simetría electroweak, los bosones de Goldstone serían "apacados" por los bosones W y Z, dándoles sus componentes longitudinales y por lo tanto sus masas. Este es el mecanismo Higgs en el trabajo. En otros contextos, como la ruptura de la simetría quiral

Simetrías rotas y Cosmología

La ruptura de la simetría no es sólo un fenómeno aceleradores de partículas; probablemente tuvo un papel crucial en el universo temprano. A medida que el universo se enfrió después del Big Bang, las simetrías de las fuerzas fundamentales habrían sido restauradas a altas temperaturas, y luego se rompió secuencialmente durante las transiciones de fases.La transición de fase electroweak, por ejemplo, se cree que ha ocurrido unos 1012 segundos después de la cuestión Big Bang, cuando el campo de la cuestión de la adquisición. baryogenesis electroweak, aunque esto requiere nuevas fuentes de violación del CP más allá del Modelo Estándar.

Otro ejemplo notable es la ruptura de grandes simetrías unificadas, que pueden haber producido defectos topológicos como cadenas cósmicas o monopolios magnéticos. Mientras que ninguno se ha observado, su ausencia limita los modelos de gran unificación. El estudio de la simetría quebrando en el universo temprano es un campo activo que puente la física de partículas y la cosmología.

La violación de PC está directamente vinculada al misterio de por qué hay más materia que antimateria. Según las condiciones de Sakharov, la baryogenesis requiere violación de números de bariones, violación de C y CP, y salida del equilibrio térmico. La violación de CP observada en los sistemas de kaon y B meson es consistente con el Modelo Estándar pero insuficiente para explicar la asimetría observada.

La simetría como guía para los descubrimientos futuros

La simetría sigue guiando la física teórica. La búsqueda de una teoría de la gravedad cuántica, como la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de bucle, depende en gran medida de los principios de simetría. Supersymmetry (SUSY) es una simetría propuesta entre fermions y bosons que podrían resolver el problema de la jerarquía, proporcionar un candidato de materia oscura, y permitir una gran unificación. Aunque no se observa todavía en los colideres, SUSY sigue siendo una extensión convincente del Modelo Estándar. De manera similar, el concepto de dualidad—un tipo de simetría entre teorías que parecen muy diferentes— ha llevado a profundas percepciones en la teoría de cuerdas y la teoría de campo conformado. Por ejemplo, la correspondencia AdS/CFT mapea una teoría de la gravedad cuántica en el espacio anti-de Sitter a una teoría de campo conformado en su límite, revelando una equivalencia inesperada.

En el lado experimental, pruebas de precisión de las simetrías, como búsquedas de momentos de dipolo eléctrico permanente (EDMs) de partículas, sonda de nuevas fuentes de violación de CP. Cualquier desviación de predicciones estándar modelo sería un signo claro de nueva física. El Gran Colisionador de Hadrones continúa buscando nuevas partículas que podrían surgir de la ruptura de las simetrías superiores, tales como bosonares de alta calibre.

En resumen, la simetría no es meramente un concepto matemático abstracto; es una herramienta práctica que ha dado forma a cada avance importante en la física fundamental durante el siglo pasado. De las leyes de conservación que rigen la mecánica cotidiana a la estructura intrincada del Modelo Estándar, del mecanismo Higgs a los misterios de la materia oscura y la barigénesis, la simetría permanece en el corazón de nuestra búsqueda de entender el universo.