Espín fraccionario

El tema del espín de las partículas es muy extenso y complejo. En este pequeño artículo lo voy a enforcar de una perspectiva algo distinta a la usual, dejando de lado muchos aspectos y concentrándome en uno en concreto.

¿Qué significa que una partícula tenga espín 1? Significa que rotada 360° resulta ser igual a si misma. Matemáticamente, este procedimiento viene descrito por dos elementos. Un estado que representa la partícula, p, y una acción de rotar, R, que actúa sobre el estado de la partícula.

R(360°) p = p

Este tipo de transformaciones vienen descritas por la noción de grupo o grupo de Lie.

La idea de grupo y de grupo de Lie no es ni mas ni menos que un conjunto objetos (en nuestro caso los objetos R, que vienen a ser matrices) con ciertas operaciones, como la composición (dos rotaciones son otra rotación), la existencia de inverso (toda rotación puede deshacerse) y la existencia del elemento neutro (existe una rotación que no cambia nada R(0)). El concepto de grupo de Lie es el de un grupo con operaciones de grupo con funciones analíticas continuas.

El grupo que genera las rotaciones en el espacio tridimensional es aquel que queda representado por matrices tridimensionales ortogonales de determinante igual a 1, cosa que se denotada con SO(3) - S para especial (de determinante 1), O para ortogonal R' R = 1 (siendo R' la matriz traspuesta) y 3 para su dimensión.

Este grupo, representado por matrices tridimensionales, actúa sobre elementos p. Para el caso del espín 1 podemos imaginar p como un vector (columna) tridimensional. Esto es, una flecha en el espacio, la cual, girando 360° vuelve a su posición inicial. Esta es la forma matemática de describir giros.

Volvamos ahora con los valores del espín ¿Qué significa que una partícula tenga espín 1/2? Sin entrar mucho más en detalles significa que rotada 720° resulta ser igual a si misma. A los objetos p que cumplen esto se los denomina espinores. Sin duda son extraños y no los conocemos en nuestro quehacer cotidiano, pero son fundamentales en la física de partículas.

Esencial en este asunto es que si queremos una partícula de espín 1/2 sobre la cual actúe de forma efectiva una rotación, necesitamos un grupo de rotaciones que distinga entre una rotación de 360° (2 π) y una de 720° (4 π), cosa que SO(3) no hace. En el grupo SO(3) los elementos que rotan 360° son exáctamente iguales a los que rotan 720°, por lo que difícilmente pueden dar lugar a diferencias entre ambos giros actuando sobre cualquier tipo de estructuras.

Este grupo es SU(2), el grupo de matrices unitarias (R* R = 1, siendo R* la matriz conjugada transpuesta) de determinante 1, que se usa en la mecánica cuántica como generador de rotaciones. Se dice que SU(2) recubre a SO(3) de forma doble, esto es, existe un mapa que asigna a cada elemento en SO(3) dos elementos posibles en el grupo SU(2).

¿Qué condiciones hacen falta para que un espín de, por ejemplo, 1/3, 1/4 ó 1/n sea posible? Si quieremos partículas de espines 1/3, 1/4 ó 1/n sean posibles necesitamos grupos recubridores triples, cuádruples ó n-tuples de SO(3), esto es, grupos que proporcionen mapas de elementos de SO(3) a tres, cuatro ó n elementos del grupo, de forma que sean posible giros de 2 π n.

Pues bien, estos grupos recubridores no existen para SO(3). Esta es una explicación elegante para el hecho de que el espín tome valores enteros o semienteros en tres dimensiones.

Curioso es que para SO(2), las rotaciones sobre un plano bidimensional, la situación es bien distinta y da lugar a un fenómeno complejo que se conoce como estadística fraccionaria.