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» » » » Física: La teoría de la unificación, a 150 años de Maxwell

En 1861, James Clerk Maxwell unificó la electricidad, el magnetismo y la luz. Los experimentos en curso hoy día, sitúan a los físicos aún más cerca de la combinación con todo lo demás.

Cuando esto ocurra, si es que ocurre, no hay que esperar dramas al estilo Hollywood. Los físicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), en las afueras de Ginebra, en Suiza, no exclamarán de repente llenos de asombro, y sus monitores no mostrarán el mensaje, "el bosón de Higgs ha sido detectado".

En cambio, el descubrimiento se irá desarrollando a lo largo de meses. Los ordenadores de arrastrarán una friolera de datos en petabytes (10^15 bytes) de las colisiones, en busca de un puñado de eventos distintivos que puedan señalar su existencia, mientras los físicos cotejan todos los candidatos. Sólo cuando se hayan acumulado suficiente acontecimientos para estar seguros, quizá una docena, proclamarán públicamente el descubrimiento de los codiciados a Higgs.

Aun así, el anuncio será espectacular y oportuno. Hace exactamente 150 años, el físico escocés, James Clerk Maxwell, demostró que tres fenómenos aparentemente separados, la electricidad, el magnetismo y la luz, son diferentes aspectos de un mismo fenómeno, conocido hoy como electromagnetismo. El descubrimiento del Higgs podría dar un paso de gigante en esa unificación, completando la última y más crítica pieza del "modelo estándar", una extensión a las ecuaciones de Maxwell, que comprende tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza: el electromagnetismo y las fuerzas débil y fuerte que actúan sobre las partículas subatómicas. El bosón de Higgs se piensa que interactúa con los electrones, los quarks y otras partículas fundamentales, dotándolos de masa, y que gracias a eso, es posible que el modelo estándar pueda describir el Universo tal y como lo conocemos.

Esto pone al modelo estándar de hoy en la misma posición que la teoría de Maxwell, antes de que los experimentos demostraran la existencia de las ondas electromagnéticas, explica Frank Wilczek, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge, y co-ganador del Premio Nobel en 2004 de Física, por su participación en la creación del modelo. "No está mal, muchas de sus predicciones se han verificado, pero la novedad más importante queda por verificar."

Incluso si se descubre el bosón de Higgs, tal como se predijo, los físicos no estarán satisfechos. El objetivo final es la teoría unificada que revele cómo todas las partículas y las fuerzas observadas son sólo diferentes manifestaciones de un único sistema subyacente, uno que pueda expresarse dentro de un marco matemático común. Un resultado tan elegante, no es posible con el modelo estándar, que incluye la fuerza fuerte que une los núcleos atómicos como algo a posteriori, y sin nada que decir acerca de la gravedad. El modelo estándar tiene también una explicación de la materia oscura, esa sustancia invisible que pesa más que la materia ordinaria de las estrellas y galaxias, en un factor aproximado de cinco a uno.

Aunque los físicos están de acuerdo en la necesidad de que algún tipo de unificación se debe hacer, tampoco saben cuál puede ser.Va para cuatro décadas que existe el modelo estándar, y los investigadores han estado especulando acerca de cómo ampliarla con ideas exóticas, como la supersimetría, las dimensiones extra y el espacio-tiempo holográfico. "La situación es que hay una panoplia de hipótesis sobre la mesa, la mayoría de ellas no son nuevas, pero ninguna de ellas tiene soporte experimental", señala Lee Smolin, un físico del Instituto Perimeter de Física Teórica en Waterloo, Canadá.

"La buena noticia", añade, "es que al final, los experimentos se está haciendo." En pocos años, gracias al LHC y otros experimentos, los físicos deberían tener una idea mucho más clara de qué nociones teóricas son más realistas y aplicarán con ellas la unificación final.

La supersimetría

Si el bosón de Higgs resulta ser exactamente lo que se prevé a partir del modelo estándar, tendrá un momento angular interno cero ("espín-0"), y una masa en alguna parte, entre 115 y 180 mil millones de electronvoltios (GeV), las unidades de energía favoritas de los físicos de partículas. Pero una cosa así sería demasiado fácil, apunta John Ellis, físico teórico del King's College de Londres. Sería mucho más divertido, piensa, si los físicos del LHC no encontrarán nada. "Después de tantos años de especulaciones, ¡ver al final, que no es lo se creía en absoluto!", agrega. Eso obligaría a los teóricos a esbozar de nuevo el tablero de dibujo, "aunque hay varios tableros de dibujo a dónde regresar". Podría haber formas más complicadas de generar la masa, o incluso, algo más inesperado. "Sería más emocionante", dice Ellis.

Por otra parte, dice, es muy posible que el LHC no encontrara una partícula de Higgs, sino toda una familia de ellos. Eso sería una señal de la supersimetría, una teoría que predice un zoológico de aún no observadas "superpartículas', uno para que coincida con cada una de las 25 partículas del modelo estándar, los bosones portadores de fuerzas, como los fotones, los gluones y la de Higgs, y hasta los fermiones, como los quarks y los electrones, que forman la materia. Estas superparejas sería pesadas, por lo menos de 600 GeV.

Los físicos recurren a la supersimetría, porque proporciona una descripción matemática unificada de los bosones y fermiones, que de otro modo parecen sin relación alguna. Y esta teoría fortalecería enormemente una "gran unificación" de las fuerzas fuerte, débil y electromagnética, dejando solamente sin explicar la gravedad.

En el modelo estándar, la fuerza de interacción es la fuerza fuerte, expresada en términos de una análoga carga eléctrica constante, es muy distinta de la fuerza débil y la electromagnética. Pero si asume como cierta la supersimetría, las correcciones cuánticas muestran que las tres fuerzas con exactamente lo mismo, tal como sería el caso si estas fuerzas fuesen en realidad una sola.

La supersimetría también resuelve algunos problemas que tienen otras teorías que optan por la gran unificación, como son sus predicciones de que el protón debe ser inestable. La presencia en los cálculos de las superparejas tiende a suprimir la desintegración del protón, llevando la tasa de descomposición muy por debajo de los límites actualmente establecidos por la experiencia.

Por último, y quizás lo más importante, desde el punto de vista observacional, la supersimetría podría muy bien dar una explicación de la materia oscura. Esta invisible niebla cósmica se comporta como un enjambre de partículas masivas que interactúan muy débilmente con los átomos ordinarios, y hasta ahora, ha sido inferida tan sólo por su influencia gravitacional en las estrellas y galaxias visibles. Ninguna partícula del modelo estándar tiene las propiedades adecuadas, sin embargo, varias de sus superparejas se prevé que sí. Si alguna de ellas es precisamente una partícula de materia oscura, más pronto que tarde se podrá observar no sólo en el LHC, sino también en más de uno de los detectores de materia oscura que ahora operan en todo el mundo (véase Nature doi: 10.1038/news.2011.125 , 2011).

Pero sólo porque la supersimetría contengan muchas promesas de maravillosas soluciones a los problemas actuales, que significa que sea verdad. "Si la supersimetría se comprueba, eso sería fabuloso", comenta Smolin. "Pero si no, bueno, también será fabuloso; siempre es mejor lo que queda por conocer."

Dimensiones extra

La conversaciones con los físicos del LHC pueden llegar a ser surrealistas, especialmente cuando empiezan a hablar en serio de encontrar la base de algo que parece de ciencia ficción, las dimensiones extra.

Una de las razones para que se tomen en serio esta perspectiva es que las dimensiones extra son predichas por la teoría de cuerdas, una teoría que sin duda es el intento más popular de unificación más allá del modelo estándar. La teoría de cuerdas postula que las partículas fundamentales son en realidad hilos vibrantes de energía. Desde que fue desarrollada a finales de 1960, la teoría de cuerdas se ha permanecido como ejercicio mental, sin evidencia física que la respalde. Sin embargo, ha demostrado que  aun así resulta notablemente atractiva. Predice la existencia de fuerzas que se parecen mucho a las fuerzas fuerte, débil y electromagnética del modelo estándar. Incorpora la supersimetría de forma natural. Además, incluye automáticamente la gravedad: las ecuaciones de la teoría de cuerdas muestran que los circuitos cerrados de cuerda pueden comportarse como gravitones, partículas postuladas que transportan la fuerza de la gravedad. "Combina todos los principios de la física que conocemos", señala Nathan Seiberg, un teórico de cuerdas del Institute for Advanced Study in Princeton, Nueva Jersey. "Y eso es muy grande. No hay otra sugerencia que se le acerque". Las dimensiones extras surgen debido a que la formulación más natural de la teoría de cuerdas tiene 11 dimensiones, sólo 4 de los cuales podemos observar nosotros: 3 dimensiones de espacio y una de tiempo. Las dimensiones que faltan son fáciles de explicar, añade Seiberg: la teoría les permite estar tan herméticamente enrolladas que son invisibles en circunstancias normales.

El LHC podría detectar estas dimensiones extras si las partículas generadas por las colisiones tienen suficiente energía, y por ende longitudes de onda cuántica suficientemente cortas, para iniciar una espiral en torno a esas dimensiones tan rizadas. La energía de esa espiral se presentará como la masa, según el famoso teorema de la relatividad de Einstein. Así que los físicos del LHC podrían detectar familias enteras de partículas duplicadas de altísimas masas del modelo estándar.

Un escenario alternativo, y también consecuencia de la teoría de cuerdas, sugiere que lo que percibimos como un espacio tridimensional es en realidad una especie de membrana flotante en un espacio de dimensiones superiores. Que nunca sabremos de estas direcciones extra porque todas las partículas del modelo estándar se limitan a la membrana. No obstante, las colisiones del LHC podría tener la energía suficiente que permita entrar una ráfaga de la energía gravitacional de fuera de nuestra membrana. El resultado sería un chorro de productos de atomizadas colisiones a un lado del punto de colisión, pero aparentemente sin nada para equilibrarlo en el otro lado, como si el chorro hubiera surgido de la nada.

Los físicos del LHC han calculado las firmas experimentales de todos estos fenómenos extra-dimensionales y más, aduce Albert de Roeck, portavoz delegado del experimento Compact Muon Solenoid, uno de los dos grandes detectores del LHC. "Pero el objetivo es conocer la magnitud" de las dimensiones extra, agrega. Si se enrollan demasiado apretadamente, en una escala menor de 10 a 19 metros, entonces la energía necesaria para probarlo quedará fuera del alcance del LHC.

Eso es una posibilidad distinta, por lo que los físicos lo consideran una oportunidad para observar las dimensiones extra en el LHC. "No contengo la respiración", dice Michael Duff, físico del Imperial College de Londres. "Mi apuesta es que si hay dimensiones extras, están en la escala de Planck" de 10 a 35 metros, donde se cree que la mecánica cuántica y la gravedad se unen de algún modo todavía desconocido.

No obstante, se considera que la búsqueda de dimensiones extra bien vale el esfuerzo. Su existencia no probaría que la teoría de cuerdas correcta, es perfectamente posible tener dimensiones extras sin cuerdas. Sin embargo, la confirmación de sus principales predicciones reforzaría considerablemente la teoría de cuerdas.

Holografía

Tan bonito como se quiera, comenta Seiberg, pero los profesionales de la teoría de cuerdas se quedan con la punzante sensación de que algo falta. "Sabemos cómo calcular un montón de cosas de la teoría de cuerdas", agrega. "Pero no tenemos una base conceptual para ello, un conjunto de principios fundamentales desde los cuales partir."

Mas, no sólo los teóricos de las cuerdas, esta búsqueda de principios más profundos es compartida por físicos de todas clases. Una idea que atrajo mucha la atención fue el descubrimiento teórico realizado por Stephen Hawking, de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y otros en la década de 1970: los efectos cuánticos del espacio en torno a un agujero negro lo causan la emisión de radiación, como si se calentara, a pesar de que los agujeros negros se suponen que engullen masa y energía, no la expulsan. "Resulta sorprendente", señala Carlo Rovelli, físico de la Universidad del Mediterráneo en Marsella, Francia. De alguna manera, los tres fenómenos, aparentemente separados, de la gravedad, la mecánica cuántica y la termodinámica, se entretejen. "Y aún no hemos comprendido muy bien el por qué" ni el cómo.

Los esfuerzos para comprender esto, han llevado a los físicos teóricos hacia unas direcciones extrañas. Según la termodinámica estándar, por ejemplo, la temperatura de cualquier objeto está relaciona con su entropía: una montante que mide la cantidad de información disponible para unos observadores externos acerca de la disposición y los movimientos de los constituyentes del objeto. Pero no hay manera de que los observadores externos puedan obtener información de un agujero negro, porque lo más cercano a un agujero negro es la superficie conocida como el 'horizonte de sucesos' que está aislado del resto del Universo. Así que, si un agujero negro se rige por la termodinámica, como Hawking y otros demostraron, toda la información sobre su tridimensional interior, de alguna manera debe estar codificado en su bidimensional horizonte de sucesos.

Además, después de décadas de análisis y generalización de este argumento, muchos físicos piensan ahora en aplicarlo a cualquier volumen tridimensional, desde los agujeros negros hasta el espacio vacío: la información completa del volumen que contiene puede ser codificado en su superficie de dos dimensiones. O por decirlo de otra manera, la definitiva teoría unificada de todo debe describir nuestro aparentemente sólido mundo de tres dimensiones, en términos de una realidad de una dimensión menor. El Universo que emergería de esta teoría sería como la imagen óptica tridimensional de un holograma de dos dimensiones.

A pesar de que este "principio holográfico" puede ser un elemento de una teoría unificada definitiva, por sí misma no dice todo lo que una teoría debe decir, y no todos los físicos están convencidos. "Es interesante y provocativa, pero muy vaga", comenta Wilczek. Matemáticamente, al menos, la versión del principio holográfico se aplica a un modelo de teoría de cuerdas, conocida como dualidad AdS/CFT, en la que se ha sido estudiada ampliamente. Y tal vez lo más importante, la posibilidad de probar la idea.

Craig Hogan, director del Centro para Astrofísica de Partículas del Fermilab, en Batavia, Illinois, ha sugerido que si el principio holográfico es cierto, los efectos cuánticos podrían producir una especie de "ruido holográfico" de los rayos de luz. El efecto sería pequeño, aclara, pero detectable por los interferómetros láser ultraprecisos, ya utilizados en experimentos sobre ondas gravitacionales.

Él y sus colegas están ya construyendo un hardware para probar si este efecto funcionará como se espera, añade Hogan, y si lo hace, esperan continuar el próximo año con un experimento a escala completa, se prevé que costará alrededor de 2 millones de dólares, durante tres años. "Esto es barato, si las cosas van bien", dice Hogan, y es probable que sí. "Hay pruebas de física que no conocemos, por lo que, por definición, es exploratorio".

Entre todas estas teorías que podrían ayudar a unificar la física, desde las cuerdas a la holografía, y hasta conceptos más esotéricos, existe la posibilidad de que muchos pueden lleguen a la misma idea, viéndolo desde diferentes perspectivas. Pero la única manera de averiguarlo es haciendo las pruebas.

"El LHC nos da la esperanza de dar un salto enorme", observa Seiberg. "En pocos años, tendremos que ser mucho más inteligentes."


- Referencia: Nature.com, 16 de marzo 2011 por M. Mitchell Waldrop

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