La última de nuestra serie sobre las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza es la fuerza nuclear débil, posiblemente la más singular de las cuatro. Ni siquiera se manifiesta principalmente como una «fuerza» —lo que solemos entender como un empuje o una atracción—. En cambio, provoca o permite la transformación de ciertas partículas de un tipo a otro. En particular, la interacción débil puede transformar un quark arriba en un quark abajo, y viceversa, lo que provoca que un protón se convierta en un neutrón, o al revés.

El tipo de radiactividad conocido como desintegración beta se refiere a este proceso, en el que un núcleo atómico emite un electrón (o un antielectrón) y un antineutrino (o un neutrino). En el procedimiento habitual de datación por carbono-14, la fuerza débil actúa convirtiendo uno de los neutrones del carbono-14 en un protón, lo que da lugar a la formación de nitrógeno estable. Si bien esta forma de radiactividad es útil para datar restos orgánicos, otras acciones de la fuerza débil desempeñan un papel mucho más crucial en el mantenimiento de nuestra vida.

A pesar de su nombre, la fuerza débil no es la más débil entre las fuerzas fundamentales. Se caracteriza por ser aproximadamente 100 veces más débil que la fuerza electromagnética, pero sigue siendo varios billones de veces más fuerte que la gravedad.

En última instancia, la razón por la que la fuerza débil es tan débil es porque la distancia sobre la que opera es muy pequeña, más que por la debilidad intrínseca de la fuerza en sí1.

El diseño de nuestro universo

La fuerza débil forma parte del diseño de nuestro universo en su nivel más fundamental.

La fuerza débil tiene pocas manifestaciones evidentes en nuestra vida cotidiana y, en muchos sentidos, es la más compleja y sutil de todas las fuerzas. Está íntimamente ligada al bosón de Higgs y, a través de este, a la forma en que las partículas elementales adquieren masa2.

A partir de la década de 1960, los físicos de partículas encontraron una manera de unificar matemáticamente la fuerza débil con la fuerza electromagnética. Para ello, se requería un proceso que rompiera espontáneamente una simetría completa entre las fuerzas, permitiendo que la llamada partícula de intercambio de la fuerza electromagnética no tuviera masa (el fotón), mientras que las partículas de intercambio de la fuerza débil sí la tuvieran. El campo de Higgs proporcionó la solución. Las partículas que interactúan con él, como los bosones de gauge W y Z de la fuerza débil, adquieren masa. El fotón permanece sin masa, ya que no interactúa con el campo de Higgs.

Si has leído hasta aquí, ¡vas por buen camino! Es cierto que los últimos párrafos contienen mucha física compleja, y aun así, lo que he descrito hasta ahora apenas roza la superficie de la complejidad matemática que implica comprender estos aspectos de las fuerzas de la naturaleza. Sin embargo, sorprendentemente, la mente humana ha desarrollado una teoría exitosa de la fuerza débil y su pariente, la fuerza electromagnética, llegando incluso a predecir las propiedades de nuevas partículas fundamentales, descubiertas posteriormente en los experimentos con aceleradores de partículas más grandes jamás construidos. Dicho suavemente, la capacidad de hacer física teórica de partículas no puede atribuirse legítimamente a un proceso evolutivo basado en efectos de selección darwiniana.

Otra propiedad inesperada

Las investigaciones sobre la fuerza débil revelaron otra propiedad inesperada: en sus interacciones con partículas, manifiesta lo que se denomina violación de la paridad. Ninguna otra fuerza fundamental de la naturaleza hace esto. Una amplia clase de partículas conocidas como fermiones exhiben «espín», y si el polo norte de su eje de espín coincide con su momento, se les denomina dextrógiras; si su dirección de espín es opuesta, son levógiras. La fuerza débil distingue de alguna manera entre estos dos casos.

La fuerza débil logra esto de la manera más extrema posible: solo las partículas levógiras experimentan la fuerza débil. Las partículas dextrógiras no la sienten en absoluto… esta es la propiedad clave de la fuerza débil y una de las propiedades clave del Modelo Estándar3.

Esta singular propiedad de quiralidad de la fuerza débil refleja uno de los descubrimientos más significativos en la física de partículas.

Este hecho fue descubierto por Chien-Shiung Wu en un frío día de invierno en la ciudad de Nueva York en diciembre de 1956. El experimento de Wu fue técnicamente complejo, pero conceptualmente muy simple. Colocó varios átomos de cobalto en un campo magnético y observó cómo se desintegraban radiactivamente. El objetivo del campo magnético era asegurar que los espines de los nucleones de los átomos estuvieran alineados. Wu descubrió que los electrones se emitían preferentemente en la dirección opuesta al espín del nucleón4.

Partículas y antipartículas

La fuerza débil no solo viola la paridad, sino que también afecta a partículas y antipartículas de manera diferente (violando lo que se conoce como conjugación de carga). Las otras tres fuerzas fundamentales de la naturaleza, en cambio, tratan a las partículas y sus antipartículas de forma simétrica. El comportamiento antisimétrico combinado de la fuerza débil se denomina violación de CP.

Bien, esta propiedad única de la fuerza débil es peculiar e interesante, pero ¿es importante para la vida? Consideremos lo siguiente: la asimetría inherente a la fuerza débil podría ser necesaria para explicar por qué tenemos un universo lleno de estrellas y planetas, en lugar de un vacío absoluto con solo energía de radiación que se enfría gradualmente. Como resume el físico teórico David Tong, de la Universidad de Cambridge:

¿Por qué debería importarnos la violación de CP? Hay dos razones. La primera es que nuestro universo, afortunadamente, está lleno de materia, pero con muy poca antimateria. Se cree que este desequilibrio se produjo de forma natural en el universo primitivo, pero para que esto ocurriera, tuvieron que existir procesos en los que la materia y la antimateria se comportaran de manera diferente. Resulta que esto requiere la violación de CP. Así que, aunque pequeña, bien podría haber tenido consecuencias extraordinariamente grandes5.

Sin embargo, se requiere más investigación, ya que la asimetría en la interacción débil no es suficiente:

Resulta desconcertante que la cantidad de violación de CP predicha por el Modelo Estándar sea demasiado pequeña para explicar la asimetría materia-antimateria observada en el Universo. Esto sugiere la existencia de nuevas fuentes de violación de CP más allá de las predichas por el Modelo Estándar…6

El impacto en nuestras vidas

Como no experimentamos la fuerza débil directamente, es fácil subestimar su importancia para la vida. Actualmente, es invierno donde vivo y este fin de semana tendremos temperaturas bajo cero, lo que nos hace comprender el impacto que tienen en nuestras vidas las variaciones en la cantidad de energía solar que recibimos.

La energía de nuestro sol proviene de reacciones de fusión nuclear en su núcleo, donde el hidrógeno se fusiona para formar helio. Un paso esencial en cada reacción nuclear es la conversión de dos protones en dos neutrones, proceso que ocurre mediante la interacción débil. Al fusionarse dos núcleos de hidrógeno (protones), forman un diprotón, altamente inestable debido a la fuerza eléctrica repulsiva entre ellos. Afortunadamente (o, podríamos decir, por designio divino), uno de estos protones se transforma inmediatamente en un neutrón (emitiendo en el proceso un antielectrón y un neutrino). La fuerza débil media esta transformación a través de los llamados bosones de gauge W. Sin esta sutil y débil fuerza fundamental de la naturaleza, el panorama de nuestro universo sería radicalmente diferente, y sin duda no existiríamos.

Otra función estratégica de la fuerza débil es la producción de radiactividad. Normalmente queremos evitar la radiactividad, pero la necesitamos en el interior de la Tierra.

Sin una fuente interna de calor, el centro de la Tierra se habría enfriado y solidificado hace mucho tiempo. Sin embargo, la energía se inyecta en las rocas mediante la continua desintegración radiactiva de sus elementos, en particular los isótopos de potasio, uranio y torio7.

Aunque la desintegración radiactiva de estos isótopos implica dos mecanismos de desintegración (alfa y beta), y solo uno de ellos (beta) requiere la fuerza débil, eliminarla reduciría considerablemente el calentamiento en el núcleo terrestre.

Si el interior de nuestro planeta se enfriara y solidificara, la Tierra perdería su campo magnético y la protección que este le brinda contra el bombardeo de partículas cargadas de la atmósfera por el viento solar y los rayos cósmicos. Un interior planetario frío también implicaría el cese de la tectónica de placas, lo que significaría la ausencia de reciclaje de materiales de la corteza. El ciclo crucial del CO₂, que contribuye a la estabilidad climática a largo plazo, se detendría, y la erosión agotaría los nutrientes del suelo continental.⁸ Sin la fuerza débil, la Tierra no podría sustentar la vida tal como la conocemos.

En nuestra investigación sobre la fuerza débil, hemos llegado a una conclusión bien conocida en la ciencia: cuanto más estudiamos la naturaleza, más descubrimos que cada aspecto de su funcionamiento revela propiedades cruciales para la existencia de la vida. Hasta hace unos cien años, ni siquiera se sospechaba de la existencia de la fuerza débil, ¡y ahora resulta que no podemos vivir sin ella! Parece que no hay propiedades físicas de la naturaleza que no sean esenciales y que merezcan ser mencionadas, y si eso no es compatible con un buen diseño, no sé qué lo es.

Bibliografía

  1. University of Cambridge: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/pp/pp4.pdf, p. 25. ↩︎
  2. University of Cambridge: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/pp/pp4.pdf, p. 1. ↩︎
  3. University of Cambridge: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/pp/pp4.pdf, p. 4. ↩︎
  4. University of Cambridge: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/pp/pp4.pdf, p. 2. ↩︎
  5. University of Cambridge: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/pp/pp4.pdf, p. 37. ↩︎
  6. https://home.cern/news/press-release/physics/new-piece-matter-antimatter-puzzle . ↩︎
  7. Geraint F. Lewis and Luke A. Barnes, A Fortunate Universe: Life in a Finely-Tuned Cosmos (Cambridge: Cambridge University Press, 2016), p. 83. ↩︎

Crédito de la imagen destacada: NASA/Tim Kopra.