Ciencia Hecha Simple: ¿Qué es la simetría en la física?
La simetría en la física explora el comportamiento de partículas bajo inversiones espaciales, temporales y de números cuánticos, involucrando tanto cambios discretos como continuos. Sustenta la consistencia de las leyes naturales y la reproducibilidad de experimentos, influyendo en gran medida en teorías físicas modernas como la supersimetría y potencialmente revelando nuevas partículas y fuerzas. Crédito: SciTechDaily.com
En física, la simetría se refiere a cómo se comportan las partículas cuando se invierten el espacio, el tiempo o los números cuánticos. Estamos acostumbrados a ver tipos simples de simetría en la vida cotidiana. Por ejemplo, una cara humana es casi simétrica cuando se refleja de izquierda a derecha. Pero una cara es completamente asimétrica cuando se refleja de arriba abajo: la mitad superior de una cara no se ve igual que la inferior. Pequeños cambios pueden romper la simetría. Por ejemplo, una cara con un lunar en una mejilla rompería la simetría izquierda-derecha.
La simetría en la física va más allá de la apariencia y la forma. Esto contrasta con la simetría en biología, que a menudo se refiere a la simetría al discutir cómo lucen los organismos y cómo están dispuestos sus cuerpos.
La simetría en física puede referirse a que las leyes de la naturaleza sean inmunes a cambios en la identidad o propiedades de ciertas partículas elementales. La simetría también puede implicar cambios en lo que pueden parecer descripciones matemáticas abstractas de la naturaleza.
Un reloj es un ejemplo de transformación de paridad. La apariencia y comportamiento del reloj si se invierte el sistema de coordenadas es una prueba de simetría. Esta imagen muestra cómo se ve el reloj y cómo funciona si se refleja en un espejo. Crédito: Nathan Clarke, Departamento de Energía Oficina de Ciencia
La simetría a menudo se refiere a cómo se comporta la naturaleza cuando las partículas se intercambian con sus anti-partículas (llamado "conjugación de carga"), cuando se invierten las coordenadas como en un espejo (llamado "inversión de paridad"), o cuando el tiempo se invierte (reproduciendo la "película" hacia atrás). Los físicos llaman a estas tres simetrías C (para carga), P (para paridad), y T (para tiempo). La llamada simetría CPT es discreta, ocurre en pasos.
Los físicos contrastan la simetría discreta con la simetría continua, donde no hay pasos entre los cambios de simetría. Un ejemplo es la simetría rotacional como girar un círculo. A diferencia de girar un cuadrado, no hay puntos donde girar un círculo rompa la simetría.
Para los científicos, la simetría translacional en tiempo y espacio es especialmente importante. La simetría translacional significa que las leyes de la naturaleza medidas por una persona en un momento y lugar no cambiarán si son medidas por otra persona en otro momento y lugar. Sin esta simetría, las ciencias físicas y las leyes universales de la naturaleza no funcionarían. En otras palabras, la simetría en tiempo y espacio es lo que hace que los experimentos sean reproducibles y la ciencia sea posible.
Comprender las simetrías y las simetrías rotas es importante para entender las propiedades físicas de la materia y nuestro universo.
Muchos de los avances en física en los últimos cientos de años se han basado en un reconocimiento cada vez mayor de la importancia de la simetría en la generación de teorías de la naturaleza. Si los científicos pueden deducir correctamente qué simetrías son válidas, pueden aprender más sobre qué tipos de cosas son posibles en la naturaleza, especialmente con partículas subatómicas. Muchas teorías que buscan mejorar el modelo estándar de la física de partículas se basan en la simetría como principio rector. Por ejemplo, la teoría de la supersimetría propone que todas las partículas en el Modelo Estándar tienen un compañero simétrico. Alternativamente, si los científicos observan una simetría siendo rota cuando no la esperaban, ese hallazgo puede apuntar a posibles nuevas formas en que la naturaleza puede comportarse. Eso puede incluir nuevas partículas y nuevas fuerzas.
La búsqueda de las simetrías fundamentales de la naturaleza es una pregunta tan profunda y amplia que involucra a físicos con diferentes especialidades de cuatro programas en la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía.
Estos programas incluyen Ciencias Básicas de la Energía (BES), Física de Alta Energía (HEP), Física Nuclear (NP) e Investigación Avanzada en Computación Científica (ASCR).
BES apoya técnicas para sintetizar y caracterizar materiales novedosos a nivel atómico. Estos materiales a menudo exhiben simetrías rotas que llevan a una comprensión científica más profunda y a una funcionalidad novedosa con un impacto potencial para la misión energética del Departamento de Energía.
NP apoya a físicos que emplean técnicas avanzadas para buscar simetrías rotas para neutrones, protones y varios isótopos nucleares. NP también apoya los esfuerzos para buscar una decadencia nuclear aún no observada conocida como la desintegración beta doble sin neutrinos. La observación de esta decadencia mostraría que la materia se está creando en el laboratorio sin ningún antimateria compensatoria, una simetría rota que es esencial para entender por qué el universo tiene suficiente materia para que nosotros existamos.
HEP supports physicists searching for ways that symmetry can be violated by using the Deep Underground Neutrino Experiment, the Large Hadron Collider, and other experiments. Meanwhile, ASCR supports the computer theory, hardware, and software scientists needed to conduct and interpret such data-rich experiments.
