jueves, 22 de marzo de 2018

¿Puede haber vida sin la fuerza débil?


Desintegración beta y del neutrón
El 30 de enero de este año, la revista Science News comentó un artículo recientemente publicado en arXiv en el que se afirma que en un universo en el que no existiera la fuerza débil, a pesar de ello sería posible la vida. Al leer el artículo de Science News se me ocurrió inmediatamente una objeción que podía echar por tierra, tanto la tesis del artículo original como el artículo divulgativo. Lo primero que hice fue buscar el artículo original para ver si hacía referencia a mi objeción, ya fuera para discutirla o para negarla, pero no había ni una palabra al respecto. A continuación expuse la objeción en un comentario en la versión web del artículo de Science News, pero hasta el momento nadie me ha respondido. Sin embargo, la objeción me parece muy fuerte, y mientras no se me responda, pienso que el artículo en cuestión está desacreditado.
De acuerdo con el modelo cosmológico estándar y el modelo estándar de física de partículas, existen en el universo cuatro interacciones o fuerzas fundamentales: la gravitación, la interacción electromagnética, y las interacciones fuerte y débil, que regulan el funcionamiento de los átomos y las partículas elementales. En particular, la fuerza débil afecta a todas las partículas elementales: leptones y hadrones, al revés que la interacción fuerte, que afecta sólo a los hadrones.

Veamos algunas de las cosas de las que es responsable la fuerza débil:
Diagrama de Feynman de la desintegración beta

  • La desintegración beta de los núcleos atómicos, que consiste en la emisión de un electrón (radiación beta) y el aumento en el número atómico del núcleo, que pasa a tener una carga positiva superior en una unidad a la que tenía. La reacción tiene lugar de acuerdo con el diagrama de Feynman de la figura adjunta.
  • La desintegración de los neutrones libres, que se transforman espontáneamente en un protón y un electrón. Esta reacción se ajusta al mismo diagrama que la figura anterior.
  • La formación de estrellas degeneradas como los púlsares o estrellas de neutrones.
  • La violación de las simetrías P (paridad) y CP (carga-paridad). La primera hace que, para algunas partículas elementales, la derecha no sea igual que la izquierda (lo que inspiró a Isaac Asimov el título de uno de sus libros: El electrón es zurdo). La segunda indica que para restaurar la simetría, no basta con cambiar simultáneamente la paridad (derecha por izquierda y viceversa) y la carga eléctrica (o sea, pasar de un electrón zurdo a un positrón diestro), pues dicha simetría conjunta también puede ser violada por la fuerza débil. El descubrimiento de la violación de estas simetrías fue decisivo para la concesión de varios Premios Nobel: el de 1957, para Chen-Ning Yang y Tsung-Dao Lee, por el descubrimiento de la violación de la simetría P; el de 1980, para James Cronin y Val Fitch, por descubrir la violación de la simetría CP; y el de 2008, para Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa, por predecir que la violación de la simetría CP hacía necesaria la existencia de tres generaciones de leptones, pues en 1973, cuando hicieron la predicción, la tercera aún no había sido descubierta.
  • La violación de la simetría CP se considera la explicación más probable para la asimetría entre materia y antimateria en el universo. En efecto, poco después del Big Bang, a medida que el universo se expandía, aparecieron sucesivamente distintos tipos de partículas. Más adelante, cuando estas partículas entraron en contacto, las de materia se fueron aniquilando con las de antimateria, pero como las primeras eran un poco más numerosas (una parte en mil millones), cuando se acabó la antimateria sobró un poco de materia, a partir de la cual se formaron las estrellas, las galaxias y nosotros mismos.
Pues bien: los autores del artículo que estamos comentando parecen suponer que la única acción que produce la fuerza débil, y que desaparecería si dicha fuerza estuviera ausente de un universo hipotético, es la segunda de la lista indicada más arriba. O sea, que los neutrones libres no se desintegrarían espontáneamente y habría muchos más que en nuestro universo. A pesar de ello –sostienen– podrían formarse estrellas y galaxias, y por lo tanto podría surgir la vida.
¿Cuál es mi objeción? Que si no hubiera fuerza débil no habría violación de la simetría CP, y por tanto no habría habido diferencia entre el número de partículas de materia y de antimateria en el principio del cosmos. Toda la materia se habría desintegrado con la antimateria, y ese universo sin fuerza débil no habría contenido ni protones ni neutrones que pudieran formar estrellas y galaxias. Sin materia, no habría sido posible la vida.
¿Cómo es posible que un argumento tan simple no se les haya ocurrido, ni a los autores del artículo que comentamos, ni a los redactores de Science News que lo han divulgado? Que no se les ha ocurrido es evidente. Si no fuera así, habrían tratado de contrarrestarlo con algún argumento. Podrían aducir, por ejemplo, que la violación de la simetría CP no es la única explicación posible para el desequilibrio entre materia y antimateria y que la relación entre ambas cosas no está demostrada. Pero ni siquiera lo han mencionado.

Manuel Alfonseca

11 comentarios:

  1. javier perez castells22 de marzo de 2018, 1:18

    La violación de la paridad es una de las teorias que explican la otra asimetría del universo, en este caso de la vida. La seleccion de biomoléculas quirales de determinada serie, en concreto de aminoácidos "zurdos", parafraseando a Asimov. Aunque eso esta lejos de estar probado es también esencial para la vida.

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  2. Bueno no sé mucho, que decir, salvo felicitar al Profesor Alfonseca por su excelente artículo (como siempre), y si las revistas en ocasiones son muy obstinadas, y orgullosas. No reconocen un error, aunque lo tengan delante, y tampoco tratan de corregir, o atender a quien expresa la crítica. Es un problema de Hybris, o soberbia. Espero el próximo artículo con impaciencia.

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  3. Un universo sin fuerza débil puede parecer de entrada más sencillo y más genérico que el nuestro. Quizás de ahí provenga el atractivo inicial de la idea que andan explorando. Pero que como hace falta entonces introducir en él un mecanismo alternativo al de la violación de la simetría CP, para que haya un ligero exceso de materia que permita el desarrollo de estructuras complejas, al final lo más probable es que resulte una estructura poco genérica, sino tanto o más específica que la del universo real.
    Hay otros casos en los que ha ocurrido algo así: Como por ejemplo en los modelos inflacionarios que sustituyen la especificidad de las condiciones iniciales del universo por la especificidad (aún mayor) del potencial que rige la inflación.

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  4. Don Manuel: ¿es correcto afirmar que el multiverso no es más que un 'dios de los vacíos' metafísico-naturalista?

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    1. Frank, ni siquiera es eso, porque el multiverso es perfectamente compatible con Dios. Si Dios creó un universo, ¿por qué no pudo crear varios? Pero para algunos no creyentes podría desempeñar ese papel.

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  5. Estoy de acuerdo. Pero la pregunta que siempre me surge es por qué estamos en este universo y no en otro. Porque si hay infinitos universos como dicen algunas teorías, entonces todo se vuelve a repetir en algún momento, lo cual va en contra del principio de razón suficiente. Saludos.

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  6. Buena puntualizacion Manuel. Hay también otro factor que apunta Paul Davies que no sé si los autores del artículo que tú mencionas contemplan. Este es el comentario de Davies: “A microsecond after the big bang, when the temperature was a trillion degrees, the 0.1 percent mass difference (entre protones y neutrones) was almost irrelevant (compared with the huge thermal energy available), so the ratio of neutrons to protons was nearly one to one. But as the temperature plummeted and less and less thermal energy was available to share out, the balance of advantage favoring the lighter protons grew dramatically: the ratio of neutrons to protons sank inexorably from nearly one to one down to about six to one (six protons for every neutron). At this stage the neutrinos opted out, and the proton-to-neutron ratio remained stuck at a little more than six to one. So now we can see what would have happened if the weak force had been weaker. The neutrinos would have given up the struggle sooner, when the universe was hotter and when the numerical advantage given to the lighter protons by the democracy principle was less. That would have meant more neutrons and fewer protons in the final mix. Because the excess protons went on to make hydrogen, there would have been less hydrogen in the universe and more helium. Had the freeze-out ratio been exactly one to one, all of the material would have ended up as helium. Less hydrogen would have had dire consequences for life. Stable, long-lived stars like our sun are hydrogen reactors. Without an abundant supply of this raw material they would be starved of fuel and would have very different properties. Also, hydrogen combines with oxygen to make water, a vital part of the life story at all stages. For example, life probably began in a watery “primeval soup,” and for the greater part of its history life on Earth has been confined to the oceans. Even land animals like us contain about 75 percent water. Without abundant water, the chances of life forming and flourishing are slim. The upshot of these various nuclear considerations, then, is that had the weak force been either somewhat stronger or very slightly weaker, the chemical makeup of the universe would be very different, with much poorer prospects for life.“

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    1. Sí, lo que dice Davies esto es cierto, pero el caso que presentan en ese artículo no es que la fuerza débil, aunque más débil, siguiera existiendo, en cuyo caso pasaría lo que dice Davies, sino que no existiera en absoluto. En ese caso, los neutrones libres no se desintegrarían nunca convirtiéndose en protones, con lo que habría muchos más neutrones que en nuestro universo. Pero el problema es que, al no tener lugar el desequilibrio entre materia y antimateria, no habría ni protones ni neutrones. Esto es lo que se les ha escapado, y a lo que se refiere mi artículo.

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    2. Esto es. Pero si no existieira la fuerza debil, aunque los autores introdujeran una alternativa a la asimetría CP para explicar la existencia de la materia como tú dices, interpreto que también tendrían que explicar el predominio de protones frente a neutrones en un ratio que permitiera la formación de hidrógeno en la cantidad necesaria para formar estrellas y agua, como explica Davies. Por lo que aunque introdujeran un supuesto para obviar tu pregunta, aún así tendrían que enfrentarse a la de Davies.

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    3. Exacto. Eso es más o menos lo que ha dicho Francisco Soler en su comentario, un poco más arriba.

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