El experimento de Wu
El experimento de Wu proporcionó la primera evidencia experimental directa de que la paridad no se conserva en las interacciones débiles. Este descubrimiento marcó un punto de inflexión en la física moderna y reveló que algunas simetrías consideradas fundamentales no se cumplen en la naturaleza.
Hasta la década de 1950, se aceptaba casi sin discusión que todas las leyes de la física eran invariantes bajo una reflexión espacial, es decir, que no cambiaban al intercambiar izquierda y derecha.
En otras palabras, se pensaba que un proceso físico y su imagen especular eran igualmente posibles en la naturaleza.
Esta propiedad recibe el nombre de invariancia de paridad o simetría de paridad.
Por ejemplo, un electrón y un positrón pueden aniquilarse y dar lugar a la emisión de dos fotones en direcciones opuestas. Si se considera la versión especular de este proceso, en la que se intercambian las posiciones del electrón y del positrón, el fenómeno sigue siendo físicamente posible y obedece a las mismas leyes fundamentales. Esto pone de manifiesto que la aniquilación electrón-positrón conserva la paridad: tanto el proceso original como su imagen especular son realizables en la naturaleza.
Desde Newton hasta Dirac, la idea de que la naturaleza “no muestra preferencias” fue considerada durante mucho tiempo como algo casi obvio, más que como una hipótesis que debiera someterse a verificación experimental.
Esta convicción estaba profundamente arraigada en una visión casi platónica del universo, entendido como una estructura intrínsecamente armónica y simétrica.
Sin embargo, en 1956, Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang formularon una observación decisiva: nadie había comprobado experimentalmente si la paridad se conservaba en las interacciones débiles. A partir de esta constatación, propusieron una prueba concreta.
El experimento fue realizado en 1957 por la física estadounidense Chien-Shiung Wu, quien estudió el decaimiento beta del cobalto-60:
\[ ^{60}\text{Co} \rightarrow ^{60}\text{Ni} + e^- + \bar{\nu}_e \]
La idea central consistía en alinear los espines de los núcleos de cobalto en una misma dirección mediante un campo magnético intenso y observar después la dirección preferente de emisión de los electrones.
Para evitar que la agitación térmica destruyera esa alineación, la muestra se enfrió hasta temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto en la escala Kelvin.
Los resultados mostraron que los electrones se emitían preferentemente en la dirección opuesta al espín nuclear.
La configuración especular, en la que los electrones se emitirían en la misma dirección que el espín nuclear, nunca fue observada, a pesar de que sería esperable si la paridad fuera una simetría fundamental de la naturaleza.
Nota. En la figura de la izquierda se muestra el proceso que se observa físicamente: el electrón se emite hacia abajo y su espín gira en sentido antihorario, con la polaridad N - S orientada hacia arriba. En la figura de la derecha aparece la configuración especular. En este caso, el electrón también se emite hacia abajo, pero la rotación, al reflejarse, pasa a ser horaria y la polaridad N - S queda orientada hacia abajo. Sin embargo, esta configuración especular no corresponde a ningún proceso físicamente posible. Esto pone de manifiesto que la simetría de reflexión espacial no se conserva: en las interacciones débiles, la paridad se viola.
Esta observación constituyó la primera evidencia directa de la violación de la paridad en la naturaleza y demostró que la simetría de paridad no se conserva en los procesos físicos reales.
El experimento puso de manifiesto que la paridad no es una simetría de la interacción débil y que la simetría, en general, no es un principio absoluto, sino una propiedad que la naturaleza puede respetar o transgredir.
En términos claros, el universo distingue de forma inequívoca entre izquierda y derecha. No se trata de una asimetría sutil, sino de un rasgo profundo de las leyes físicas.
Experimentos posteriores confirmaron estos resultados, a pesar del escepticismo inicial de parte de la comunidad científica, incluido el de Wolfgang Pauli, quien había considerado imposible una violación de este tipo.
Nota. La violación de la paridad no fue simplemente una anomalía experimental. Representó un desafío profundo a la idea de un universo intrínsecamente simétrico. Hasta entonces, la simetría se había tratado como un principio fundamental más que como una hipótesis sometida a verificación experimental. El experimento de Wu puso de manifiesto que esta suposición nunca había sido realmente contrastada en el contexto de las interacciones débiles. En este sentido, también reveló una limitación humana: incluso los científicos pueden quedar condicionados por sus propias expectativas teóricas.
A partir de ese momento, la física dejó de buscar únicamente la elegancia formal y comenzó a enfrentarse a una realidad más profunda y menos reconfortante, en la que la simetría no es universal, sino una propiedad que la naturaleza puede decidir vulnerar.
Tras el experimento de Wu, toda simetría empezó a ser observada con un grado saludable de escepticismo.
Este descubrimiento allanó el camino hacia la formulación moderna de la teoría electrodébil y valió a Lee y Yang el Premio Nobel de Física en 1957 por su interpretación teórica del fenómeno. La confirmación experimental decisiva, sin embargo, fue obra de Chien-Shiung Wu, cuya contribución sigue siendo fundamental en la historia de la física.
Estudios posteriores demostraron además que la interacción débil viola la paridad en otros procesos físicos.
Por ejemplo, los neutrinos son siempre levógiros, mientras que los antineutrinos son siempre dextrógiros. Este hecho ha sido confirmado experimentalmente. Por qué la naturaleza ha hecho esta elección sigue siendo, por ahora, una cuestión abierta.
Y así sucesivamente.
