El experimento que nos mostró que el universo no es simétrico

Los humanos preferimos utilizar el lado derecho de nuestro cuerpo antes que el izquierdo. Aunque haya personas zurdas, tanto de manos como de pies, representan un porcentaje pequeño de la población. Por otro lado, nuestros corazones se sitúan siempre en el lado izquierdo de nuestro cuerpo. Parece que la biología humana tiene ciertas preferencias entre izquierda o derecha para según qué cosas. Pero la naturaleza, las leyes de la física, no deberían tener esa preferencia. O eso pensábamos. La física, con su desarrollo histórico, ha buscado definir el universo y las leyes que lo rigen usando conceptos universales, evitando los parroquialismos humanos.

Un método para evaluar suposiciones antropocéntricas es preguntarse si un ser inteligente en una galaxia distante, que no nos puede ver, entendería estos conceptos, como distinguir «derecha» de «izquierda». Hasta principios del siglo XX, no existía en la física un fenómeno que diferenciara entre ambas. Por ello, se asumía que la naturaleza no hacía tal distinción. Sin embargo, en 1957 se descubrió que la naturaleza sí distingue entre derecha e izquierda, y que el universo no es perfectamente simétrico en cuanto sus leyes fundamentales se refiere.

Si reflejáramos la naturaleza en un espejo especial, que funcionara en las tres dimensiones del espacio, el universo reflejado no sería idéntico al original. La reflexión especular a la que estamos acostumbrados, que convierte objetos diestros en zurdos (piensa en un guante reflejado) lo hace modificando la “coordenada” de profundidad. Es decir, en el reflejo de un espejo lo que ha cambiado no es verdaderamente la “izquierda” y la “derecha”, tampoco el “arriba” y el “abajo”. Lo que cambia es el “delante” y el “detrás”. Pues bien, un espejo que cambie cada posición por su opuesta puede expresarse matemáticamente de una forma muy sencilla: cada coordenada tomará el mismo valor, pero con un signo menos delante. Esto es lo que se conoce como la transformación de paridad.

En junio de 1956, los físicos teóricos Chen Ning Yang y Tsung Dao Lee, publicaron un importantísimo resultado donde se planteaban si la paridad se conserva en las interacciones débiles y sugerían varios experimentos para resolver la cuestión. Es decir, cuestionaban que en los procesos subatómicos donde interviene la interacción nuclear débil, el universo reflejado en el espejo de paridad fuera idéntico al universo original. Su colaboración había comenzado a principios de los años 50, motivada por los resultados de los aceleradores de alta energía construidos en EE. UU. después de la Segunda Guerra Mundial. Estos aceleradores revelaron numerosas partículas subatómicas, desafiando a los físicos teóricos a explicar su existencia y comportamientos.

Apenas unos meses después de la propuesta de Yang y Lee, la investigadora del National Bureau of Standards (ahora NIST) Chien Shiung Wu decidió poner a prueba sus predicciones. Con el experimento que ella lideró, demostró que la ley de conservación de paridad en mecánica cuántica no se mantiene en la desintegración beta de núcleos de cobalto-60. Este hallazgo rompió un concepto fundamental de la física nuclear aceptado durante décadas, abriendo camino a nuevas teorías sobre la materia y el universo. Estos experimentos ayudaron a ordenar el caos teórico en torno a las partículas subatómicas. Se entendió que las partículas «elementales» observadas en los rayos cósmicos y en experimentos de aceleradores de partículas eran manifestaciones de las interacciones nucleares fuertes y débiles, llevando a una teoría más unificada de las fuerzas fundamentales.

La conservación de la paridad en mecánica cuántica implica que dos sistemas físicos, uno siendo la imagen especular del otro, deben comportarse de manera idéntica. Si esto es así, significa que la naturaleza no distingue entre rotaciones a derechas e izquierdas o entre los “lados” opuestos de una partícula subatómica. Por ejemplo, dos partículas radiactivas similares girando en direcciones opuestas deberían emitir sus productos de desintegración con la misma intensidad hacia arriba y hacia abajo.

Hasta mediados del siglo XX, se aceptaba que la paridad se conservaba en todos los tipos de interacciones. Sin embargo, en la década de 1950, se descubrieron fenómenos en física de altas energías que no podían explicarse con las teorías existentes. Los aceleradores disponibles producían una variedad de partículas subatómicas, como el mesón K de vida corta, que parecía existir en dos versiones distintas. En el verano de 1956, T. D. Lee y C. N. Yang concluyeron que la evidencia existente no apoyaba ni refutaba la conservación de paridad en las «interacciones débiles». Propusieron experimentos para medir la intensidad direccional de la radiación beta de núcleos de cobalto-60 orientados, experimento que fue llevado a cabo en el Laboratorio de Baja Temperatura del Bureau a sugerencia de Wu.

La polarización de los núcleos se logró enfriando un cristal paramagnético que contenía cobalto-60 casi al cero absoluto y sometiéndolo a un campo magnético. En estas condiciones, la mayoría de los núcleos de cobalto-60 se alinean con sus ejes de giro paralelos al campo. Se descubrió que la emisión de partículas beta es mayor en la dirección opuesta a la del espín nuclear. Esto demostró inequívocamente que la paridad no se conserva en la emisión de partículas beta por el cobalto-60, marcando un hito en la comprensión de las leyes fundamentales de la física y destacando la contribución significativa de Chien Shiung Wu en este campo.

Este experimento obligó a los científicos a revisar algunos de los principios más fundamentales de la física. Se comprendió que las simetrías y leyes consideradas inmutables podrían, bajo ciertas condiciones, romperse o no aplicarse. Los hallazgos de Wu inspiraron a una generación de físicos a investigar más profundamente las simetrías y las leyes de conservación en la física de partículas. Esto llevó al descubrimiento de otras violaciones de simetría, como la violación CP (carga-paridad) en la desintegración de los mesones K. Además, permitió a los físicos explorar conceptos más avanzados y menos intuitivos, lo que llevó al desarrollo de la teoría electrodébil, que unifica las interacciones débiles y electromagnéticas.

Referencias: