Recordemos que el átomo se compone de un núcleo en el que protones (de carga positiva), neutrones sin carga eléctrica y piones (mesones pi), son mantenidos unidos por la fuerza nuclear fuerte. Alrededor del núcleo orbitan los electrones (partícula elemental) en una nube de densidad de probabilidad. Los protones y neutrones no son partículas elementales sino que se componen de tres quarks up (u) y down (d).  Protón (uud), neutrón (udd). Los piones tampoco son partículas elementales y se componen de un quark y un antiquark, todos los quark  están unidos, asimismo, por la fuerza fuerte. Cada quark “u” y “d” se presentan en tres colores (es una metáfora) por lo que luego se explicará. La fuerza fuerte es estudiada por la cromodinámica cuántica (CDC). La fuerza nuclear débil se manifiesta en la desintegración beta por la que un neutrón se desintegra en un protón (+), un electrón (-) y un neutrino sin carga. Veamos como se manifiesta en estas dos fuerza la simetría gauge.

Empecemos por la fuerza fuerte. El principio de exclusión de Pauli prohibe que los fermiones (partículas de spin múltiplo de 1/2) compartan orbital. La única manera de que esos fermiones se encuentren en la misma situación cuántica es que no sean iguales (en otro caso, los quark son idénticos, como propone la simetría de intercambio de partículas idénticas ya citada). Esa diferencia ha sido metafóricamente expresada en el color: pueden estar en el mismo orbital porque son distintos. ¿Qué contenido físico tiene el color? Si consideramos los tres colores como tres direcciones en el espacio tridimensional, cada quark es un vector que apunta en una dirección determinada y que puede entenderse como el conjunto de rotaciones del grupo de simetrías SU(3): el grupo de simetrías de la esfera. La simetría gauge de la fuerza fuerte exige dos generalizaciones: 1) ampliar la invarianza gauge (de los electrones del electromagnetismo) a los quark. 2) ampliar el concepto de simetría de modo que la transformación gauge sea, a la vez, una rotación en el espacio de color (un quark rojo gira y se convierte en un quark azul) y una variación en la energía y el momento de los quark. Para que esto sea una simetría es necesario que existan unas partículas (campos) que restituyan la rotación, el momento y la energía a los valores iniciales. Esas partículas son los ocho gluones que sustituyen un color por otro, y “calibran” la energía  y el momento como vimos en la simetría gauge electromagnética. La colisión de un quark rojo con uno azul intercambia un  gluón rojo-antiazul dando lugar a un quark azul y otro rojo, es decir se “lleva” el color.

La simetría gauge también opera en la fuerza débil y lo hace con exactamente el mismo mecanismo que en el caso de la fuerza fuerte pero añade dos peculiaridades que la hacen especial. En primer lugar su parecido con la electrodinámica es tan evidente que hace pensar que en los primeros tiempos del Bigbang fueron lo mismo, lo que supondría que la fuerza débil es una simetría rota (ya que ahora se muestran distintas). En algún momento la simetría entre electrodinámica y fuerza débil se rompió y cada uno fue por su lado con características propias pero manteniendo un parecido de familia. Esta fuerza que aunaba ambas, ha dado lugar a lo que se conoce como fuerza electro-débil, unificación de dos fuerzas que apunta a la teoría del todo.  Por otra parte las partículas que conducen la fuerza débil W y Z, son tan masivas que la simetría con la fuerza electrodinámica (cuya partícula que conduce la fuerza, el fotón, tiene masa nula) parece imposible. Solo cabe que la masa no sea una propiedad intrínseca de las partículas sino algo eventual, adquirido, susceptible de cambios.

Como en el caso de la fuerza fuerte 1) se generaliza la invarianza gauge a las parejas de electrón-neutrino y 2) que la simetría, que origina la transformación gauge, se amplíe a la suma de la rotación (en este caso entre el electrón y el neutrino) y la variación de energía y momento. Como en el caso de la fuerza fuerte, para que esto sea una simetría es necesario que existan unas partículas (campos) que restituyan la rotación, el momento y la energía a los valores iniciales, de modo que la transformación sea invariante: el resultado sea igual a la premisa. Estas son las dos partículas W (positiva y negativa) y la partícula de carga neutra: Z. De nuevo el intercambio de estas partículas en la colisión vehiculan la fuerza débil. Pero la masa de estas partículas se erige en un problema que antes no existía (tanto los fotones como los gluones no tenían masa). ¿Cómo es posible que exista simetría si estas partículas son tan masivas?

Y aquí interviene el campo de Higgs, una teoría sobre cómo las partículas adquieren su masa. No podemos minimizar lo que esta teoría afirma: la masa no es una esencia, una propiedad intrínseca, sino que es el producto de una interacción. Aristóteles no podrá por menos que removerse en su tumba al comprobar que la sustancia (el ser) no es una categoría inmutable. Pero veamos el mecanismo. El campo de Higgs permea todo el universo y es capaz de influir sobre el vacío del universo (ese mar de antimateria neutralizada, según Dirac) dando lugar a los bosones de gran masa, partículas mensajeras de la fuerza débil. El intercambio de partículas de Higgs (campos), la interacción entre partículas (campos) es lo que confiere la masa. El campo de Higgs es lo que rompe la simetría de todas las partículas (campos) de masa nula (fotones, gravitones y gluones) mensajeras de las diversas fuerzas. Fue descubierta en el CERN en 2012. Las consecuencias de este mecanismo tiene un alcance enorme que sacude los cimientos de lo que pensamos que es la materia (quarks y leptones) y las fuerzas del universo. La materia es una interacción, un intercambio de partículas sin masa. Las fuerzas y el espacio-tiempo son de la misma esencia que la materia.

El desgarrado. Diciembre 2021.