Violación de la paridad

La violación de la paridad describe el hecho de que, en la naturaleza, no todos los procesos físicos poseen una contraparte equivalente cuando se observan en un espejo.

¿Qué se entiende por paridad?

La paridad es una simetría fundamental que establece que un proceso físico puede ocurrir de la misma manera tanto en su forma original como en su imagen especular, sin que cambien las leyes que lo rigen.

Dicho de forma sencilla, consiste en observar un fenómeno físico reflejado en un espejo, intercambiando izquierda y derecha.

Cuando un proceso permanece inalterado bajo esta transformación, se dice que conserva la paridad.

Por ejemplo, un electrón que se aproxima desde la derecha y un positrón que llega desde la izquierda pueden aniquilarse, dando lugar a dos fotones emitidos en direcciones opuestas. En el proceso reflejado, donde el electrón llega desde la izquierda y el positrón desde la derecha, los fotones vuelven a emitirse en direcciones opuestas, aunque invertidas, ya que las leyes de la electrodinámica son invariantes bajo inversión espacial. En este caso, la paridad se conserva.

En realidad, la verdadera inversión espacial asociada al operador de paridad corresponde a una simetría central, es decir, a una reflexión respecto de un punto fijo C. En una transformación de paridad auténtica, los dos fotones intercambian también sus posiciones en el espacio.

Sin embargo, por razones de claridad expositiva y para facilitar la comprensión intuitiva, suele recurrirse a la analogía del espejo, es decir, a una simetría axial. En estas notas se adopta esta representación simplificada, teniendo siempre presente que se trata de una aproximación conceptual a la verdadera transformación geométrica implicada.

Durante mucho tiempo se asumió que todas las leyes de la física eran invariantes bajo la transformación de paridad.

Esta idea se apoyaba tanto en la experiencia cotidiana como en el hecho de que las interacciones conocidas en aquel momento, como la gravitatoria y la electromagnética, respetaban plenamente dicha simetría.

Sin embargo, en la segunda mitad del siglo XX se demostró que la paridad no es un principio universal, ya que la interacción débil viola la paridad.

Nota. Para facilitar la comprensión, el espín se describe aquí como una "rotación" en sentido horario o antihorario. En realidad, el espín no es una rotación clásica en el espacio físico, sino una propiedad cuántica intrínseca de las partículas, sin un equivalente clásico directo.

El descubrimiento de la violación de la paridad

En la década de 1950, los trabajos teóricos de Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang pusieron de manifiesto que no existían pruebas experimentales que confirmaran la conservación de la paridad en las interacciones débiles.

Poco después, en 1957, Chien-Shiung Wu realizó un experimento decisivo sobre la desintegración beta del cobalto-60, demostrando de forma concluyente que la paridad no se conserva en los procesos débiles.

En su experimento, los núcleos de cobalto fueron alineados mediante un campo magnético y enfriados hasta temperaturas extremadamente bajas.

Se observó que, durante la desintegración beta, los electrones se emiten preferentemente en la dirección opuesta al espín nuclear, lo que pone de manifiesto una clara violación estadística de la simetría espacial. 

Como consecuencia, la versión especular del fenómeno no se produce con la misma probabilidad.

Nota. En la figura de la izquierda se muestra el proceso físicamente observado: el electrón se emite hacia abajo y la rotación es antihoraria, con la polaridad N-S orientada hacia arriba. En la figura de la derecha se representa la configuración especular: el electrón sigue emitiéndose hacia abajo, pero la rotación reflejada es ahora horaria, de modo que la polaridad N-S apunta hacia abajo. Esta configuración no corresponde a un proceso físicamente realizable, lo que indica que la simetría especular, y por tanto la paridad, se viola en las interacciones débiles.

Este experimento demostró que la interacción débil distingue entre izquierda y derecha, una propiedad que no comparten las demás interacciones fundamentales.

Simetría central

Como se ha señalado anteriormente, la analogía del espejo, es decir, la simetría axial, se utiliza con frecuencia porque ofrece una forma clara e intuitiva de visualizar el fenómeno.

Sin embargo, desde un punto de vista físico riguroso, la verdadera operación de paridad corresponde a una simetría central, es decir, a una reflexión con respecto a un punto fijo del espacio.

Desde el punto de vista físico, el resultado es el mismo: la configuración reflejada no se observa en las interacciones débiles, o al menos no con la misma probabilidad. Esta asimetría es precisamente lo que se entiende cuando se afirma que la paridad se viola.

¿Por qué se viola la paridad?

La explicación está en la naturaleza del espín, que es un pseudovector. A diferencia de los vectores ordinarios o polares, un pseudovector no cambia de signo cuando se aplica una inversión espacial.

Como consecuencia, cuando la dirección del movimiento del electrón se invierte mediante una transformación de paridad, la orientación de su espín permanece inalterada.

En la configuración reflejada, el espín sigue apuntando hacia arriba y permanece alineado con la dirección de movimiento del electrón. Sin embargo, esta configuración no se manifiesta en las interacciones débiles.

Nota. Expresado de forma más intuitiva y retomando la analogía de la polaridad, el sentido de rotación permanece antihorario incluso en la configuración reflejada. Como consecuencia, el espín continúa apuntando hacia arriba. No obstante, en las interacciones débiles la naturaleza no realiza esta configuración reflejada con la misma probabilidad, y por ello se dice que la paridad no se conserva.

¿Cuáles son las implicaciones de la violación de la paridad en la física?

La violación de la paridad implica que un proceso físico y su imagen especular no son equivalentes.

En otras palabras, existen fenómenos que ocurren en la naturaleza pero que no pueden darse en su versión reflejada.

Esta asimetría no afecta a todas las interacciones fundamentales, sino únicamente a la interacción débil. Las interacciones electromagnética, fuerte y gravitatoria sí respetan la simetría de paridad.

El descubrimiento de la violación de la paridad tuvo un impacto profundo en la física teórica. Mostró que las simetrías no son principios absolutos de la naturaleza, sino propiedades que deben verificarse mediante la observación y el experimento.

Además, abrió el camino al desarrollo de la teoría electrodébil, en la que la violación de la paridad está integrada de manera natural en la estructura matemática de las interacciones fundamentales.

En un sentido más amplio, la violación de la paridad revela que el universo presenta una direccionalidad preferente en determinados fenómenos físicos.

Ejemplo de los neutrinos

Los neutrinos constituyen uno de los ejemplos más claros y fascinantes de la violación de la paridad.

Hasta la década de 1950 se pensaba que los neutrinos, al igual que los fotones, podían existir en dos estados especulares, uno diestro y otro zurdo, presentes en igual proporción. Esta idea reflejaba la convicción general de que las leyes de la física eran simétricas bajo la inversión izquierda-derecha.

Sin embargo, los descubrimientos posteriores revelaron una propiedad sorprendente. Los neutrinos participan exclusivamente en la interacción débil y, precisamente por ello, presentan una asimetría muy marcada:

• todos los neutrinos observados son zurdos
• todos los antineutrinos observados son diestros

Este resultado está sólidamente respaldado por la evidencia experimental y ha sido confirmado por numerosas observaciones independientes.

Lo que aún se desconoce es el origen profundo de esta asimetría. Sabemos que existe, pero todavía no comprendemos por qué la naturaleza ha elegido precisamente esta configuración.

¿Qué significa que una partícula sea diestra o zurda?
Se dice que una partícula es diestra cuando su espín está alineado con la dirección de su movimiento, y zurda cuando apunta en sentido contrario. Estas nociones no hacen referencia a una izquierda o derecha absolutas en el espacio, sino a la dirección del movimiento de la partícula.

Es importante subrayar que la definición de diestralidad o zurdera depende del sistema de referencia. Por ejemplo, si observamos una partícula que gira en sentido antihorario y luego nos desplazamos más rápido que ella en la misma dirección, al adelantarla su rotación aparente se vuelve horaria. La rotación intrínseca de la partícula no ha cambiado, pero sí nuestro sistema de referencia. En otras palabras, una partícula diestra puede parecer zurda al cambiar de marco de referencia, ya que la helicidad no es invariante bajo transformaciones de Lorentz.

Esto muestra que la helicidad no es una propiedad absoluta, sino que puede variar al cambiar de sistema de referencia. Solo en el caso de partículas sin masa, como los neutrinos idealizados, esta posibilidad desaparece, ya que una partícula sin masa siempre se propaga a la velocidad de la luz y no puede ser adelantada. En consecuencia, no existe ningún sistema de referencia en el que se invierta su dirección de movimiento. Por esta razón, en las partículas sin masa la helicidad se convierte en una propiedad invariante, independiente del observador y propia de la partícula.

Esto implica que la imagen especular de un neutrino no existe en la naturaleza. Si existiera, interactuaría como una partícula ordinaria, pero tal comportamiento no se observa experimentalmente.

Nota. En la figura de la izquierda se muestra el movimiento, la rotación antihoraria y el espín de un neutrino zurdo. En la figura de la derecha aparece su imagen especular, en la que la rotación es horaria y el espín apunta hacia abajo. Esta configuración correspondería a un neutrino diestro, ya que el espín está alineado con la dirección del movimiento, pero dicha partícula no existe en la naturaleza. Por esta razón, los neutrinos son siempre zurdos.

Este hecho constituye una de las manifestaciones más profundas de la violación de la simetría de paridad en la naturaleza.

Dado que los neutrinos se desplazan a la velocidad de la luz, su helicidad, es decir, la orientación del espín con respecto a la dirección del movimiento, es absoluta e invariante.

Ningún sistema de referencia puede moverse más rápido que una partícula sin masa y, por tanto, no es posible invertir su dirección de movimiento mediante un cambio de observador.

Nota. Hoy sabemos que los neutrinos poseen una masa pequeña pero no nula. Esto implica que, en principio, también deben existir estados de neutrinos diestros. Sin embargo, estos neutrinos diestros no participan en la interacción débil y, por tanto, resultan inaccesibles a los experimentos actuales. Por esta razón se los denomina habitualmente neutrinos estériles. Su posible existencia no contradice la violación observada de la paridad. Una de las grandes cuestiones abiertas de la física de partículas es por qué solo los neutrinos zurdos y los antineutrinos diestros participan en la interacción débil, mientras que los neutrinos diestros permanecen ocultos.

Quiralidad y helicidad

La violación de la paridad está estrechamente relacionada con la distinción entre quiralidad y helicidad.

• Helicidad describe si el espín de una partícula está alineado con su dirección de movimiento (helicidad +1) o en sentido opuesto (helicidad -1). Una partícula es diestra si su espín es paralelo a su momento, y zurda si es antiparalelo. La helicidad depende del estado de movimiento de la partícula y, por tanto, no es una propiedad absoluta.
  
• Quiralidad es una propiedad intrínseca relacionada con la forma en que una partícula se acopla a las interacciones fundamentales. En particular, solo las partículas de quiralidad izquierda y las antipartículas de quiralidad derecha participan en la interacción débil. La quiralidad no depende del movimiento de la partícula, sino de la estructura del campo cuántico subyacente.

En el caso de partículas con masa, helicidad y quiralidad no coinciden necesariamente. Una partícula puede presentar quiralidad izquierda y helicidad derecha, o viceversa, dependiendo del sistema de referencia.

La situación cambia de forma radical para las partículas sin masa, como los neutrinos idealizados. Dado que se propagan a la velocidad de la luz, ningún sistema de referencia puede adelantarlos ni invertir su dirección de movimiento. En consecuencia, para las partículas sin masa, la helicidad se convierte en una magnitud invariante y coincide con la quiralidad.

Y así sucesivamente.