INTERACCIONES ELECTROMAGNETICAS

Cuando un electrón (procedente de un Sincrotón, por ejemplo), incide sobre un protón, ambos internacional entre sí por estar cargados eléctricamente. En el Electromagnetismo "clásico" de Maxwell, la interacción de ambos está mediada por el campo Electromagnético: el campo electromagnético creado por el electrón al moverse, actúa sobre el protón, acelerándole, y recíprocamente.
Este proceso no puede estudiarse dentro de este marco clásico, ya que la pequeñez de las partículas nos obliga a utilizar la teoría Cuántica: al aproximarse ambas partículas, cada una de ellas emite un fotón que se propaga y es absorbido por la otra partícula, separándose tras ello. El campo Electromagnético está constituido por fotones: así aparece el cuanto de radiación electromagnética que llamamos fotón, y que tiene energía y momento como el electrón, pero carece de masa y se mueve a la velocidad de la luz.
Como consecuencia de la emisión y absorción del cuanto de radiación, o partícula mediadora de la interacción, , que transporta energía y momento de una partícula a la otra, tanto el protón como el electrón se desvían. El alcance de a interacción electromagnética es teóricamente infinito (en la práctica, muy largo) debido a que el fotón tiene masa nula.
Actualmente, existen modelos que incorporan principios de la Relatividad Especial con los de la Mecánica Cuántica, los TCC (Teoría Cuántica de Campos relativistas), proporcionando una descripción teórica en las que las partículas elementales son consideradas como objetos puntuales. Uno de ellos es la Electrodinámica Cuántica (QED), que estudia las interacciones electromagnéticas de objetos puntuales, tales como electrones, positrones y quarks. Como ejemplo de su bondad, baste decir que las predicciones teóricas y los valores medidos experimentalmente, coinciden en las ocho primeras cifras decimales.
Consideremos la interacción de dos electrones: la repulsión que sufren será mediada de la manera más simple por el intercambio de un fotón. Este proceso, como cualquier otro en TCC, puede representarse gráficamente mediante un diagrama llamado de Feynman, en honor a su autor. El cálculo de muchos de estos diagramas da valores infinitos, aunque las magnitudes físicas sean finitas. En esta teoría, se redefinen los parámetros físicos carga y masa en un proceso que se denomina "renormalización", para obviar los infinitos. Una teoría a la que no pueda aplicarse este procedimiento, tiene un poder predictivo nulo, y hay que desecharla. De aquí el éxito de la Electrodinámica Cuántica, que es renormalizable y que, una vez renormalizada, concuerda con la experiencia.
La Electrodinámica Cuántica es la Teoría Cuántica de Campos relativistas más sencilla que es invariante "gauge". Veamos lo que se entiende por invariancia o simetría "gauge". La QED es relativista, luego el tiempo se considera como la cuarta dimensión. La estructura de la QED, y por tanto sus ecuaciones, es invariante, es decir, las ecuaciones mantienen su forma si en cada punto del espacio-tiempo exterior efectuamos una rotación arbitraria alrededor de un círculo. Matemáticamente, estas rotaciones alrededor de un círculo, forman lo que se llama grupo U(1), y se dice entonces que la Electrodinámica Cuántica es una teoría de campos invariante gauge, con simetría U(1). Es también gracias a esta invariancia que la teoría es renormalizable, y que la masa del fotón es nula.