Unificación de las interacciones

Para entender el porqué de la búsqueda de la unificación hay que ver la historia: Newton “unificó” Física terrestre y celeste, Maxwell unificó electromagnetismo, óptica y calor, y se busca una teoría más general que unifique y englobe las anteriores. Al hablar de unificación se habla de unificar teorías de campo. El concepto de campo surge en física clásica; conceptualmente la idea de campo continuo de Maxwell es adecuada para luz como ondas pero no como partículas. Esto lo resuelve la Teoría Cuántica de Campos (QFT en inglés), iniciado por Dirac en 1927 al combinar campo y electrón, y continuado a finales 1940 por Feynman y otros con la Electrodinámica Cuántica (QED), en la cual el vacío está lleno de pares de partículas virtuales. En la década de 1950 Yang y Mills generalizan todas las QFT en teorías de simetrías gauge, con bosones gauge asociados a cuantos del campo. El grupo de simetría gauge asociado a electromagnetismo es U(1), el grupo asociado a interacción débil es SU(2), y el grupo asociado a interacción fuerte es SU(3). En el diagrama inicial sobre interacciones se menciona la unificación electrodébil, que tiene simetría gauge SU(2)⨯U(1), y que fue realizada en 1968 por Glashow, Weinberg y Salam (Nobel 1979). Existe unificación en función de las energías involucradas; a energías elevadas la interacción electromagnética y la débil se unifican, pero a baja energías se diferencian. En las décadas de 1960/70 se establece el SM, que se puede ver como una simetría gauge SU(3)⨯SU(2)⨯U(1), que “combina” electromagnetismo, interacción débil, mecanismo de Higgs e interacción fuerte, pero no las unifica.
La unificación que incluiría electrodébil y QCD sería GUT (Grand Unified Theory), para la que hay varias propuestas como SU(5), O(10) ó E5, unificación que aplicaría a altas energías, pero esta teoría no aporta nada nuevo respecto al SM, salvo dos predicciones “verificables” pero no verificadas: que el protón no es estable y la existencia de monopolos magnéticos.
La unificación global sería TOE (Theory Of Everything) que implica incluir la gravedad descrita por la relatividad general, pero son muy distintas: una es continua y determinista y otra cuantizada y probabilista. El primer intento de unificación de la gravedad lo hizo Kaluza en 1919; encontró que surgían las ecuaciones del electromagnetismo añadiendo a la relatividad general una dimensión más, que planteaba como “enrollada”. Fue una idea que interesó a Einstein, pero por el inicio de la cuántica y por no ser verificable fue “abandonada”, aunque sentó la idea base de lo que son las teorías de unificación actuales, que son las teorías de cuerdas: se añaden dimensiones extra de modo que las partículas son cuerdas, abiertas o cerradas, que vibran. La idea vibrar encaja con la idea de que el spin tenga valores múltiplos de ½. La supersimetría (SUSY) asocia una partícula supersimétrica “~” a cada partícula (a cada fermión un bosón de nombre “s-”, y a cada bosón un fermión de nombre “-ino”), y podría suponer una explicación para la materia oscura. En la década 1990 Witten unificó las distintas teorías de supercuerdas en una única “Teoría M”, que implica cierto valores posibles en el número de dimensiones.