16/Mar/06

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Una cuerda para unir las dos más famosas teorías

La teoría de cuerdas se desarrolló para resolver la contradicción entre la física de estructuras en grande y la de escala minúscula. Es la candidata más prometedora para una teoría unificada.

(La Nación, Chile) - El colisionador de partículas LHC, cuya construcción costará casi 4 mil millones de dólares, usará un túnel circular. Los protones son acelerados alrededor del túnel, o anillo, que tiene una circunferencia de 27 kilómetros (tiene que ser muy grande porque si los protones son acelerados en uno pequeño, perderían demasiada energía con la radiación). Debido a que las energías de los rayos de protones en colisión serán altas, las colisiones ocurrirán con mayor frecuencia, lo que arrojará más datos. Cinco experimentos en el LHC serán hechos por separado con el objetivo de detectar las partículas que producen las colisiones de protones. Los experimentos que investigan la masa y la debilidad de la gravedad son Atlas y CMS. Estos contarán con la participación de unos 2 mil físicos de 35 países. Los detectores de partículas, que monitorean los resultados de la colisiones, serán del tamaño de edificios de cinco pisos. Son de este tamaño por todos los componentes que necesitan. Las partículas no vienen con etiquetas con nombre: los detectores deben identificarlas por sus propiedades, como carga eléctrica o interacciones en que participan.

Los experimentos deberían ayudar a contestar varias preguntas: ¿Por qué es tan débil la gravedad?, por ejemplo. El hecho de que la gravedad es más débil que otras fuerzas es uno de los principales misterios de la física de partículas. Un imán minúsculo es capaz de levantar un clip para papel aun cuando toda la masa del planeta tira en dirección contraria. Mi explicación favorita se basa en una teoría que presume que existe una dimensión adicional en el espacio. Los avances recientes sugieren que las dimensiones adicionales, que no han sido experimentadas ni comprendidas, podrían resolver algunos misterios del universo. Una razón para una dimensión adicional es la teoría de cuerdas, que postula que las partículas son oscilaciones de cuerdas elementales. Estas cuerdas, a diferencia de las cuerdas de un violín, por ejemplo, no son de átomos formados por electrones y nucleones, a su vez constituidos por los quarks. Es exactamente lo contrario. La hipótesis de la teoría de cuerdas es que los modos de oscilación de las cuerdas corresponden a partículas. Cada partícula surge de las vibraciones de cuerdas subyacentes fundamentales, y el carácter de la vibración determina las propiedades de una partícula.

La teoría de cuerdas se desarrolló para resolver la contradicción entre la física de estructuras en grande y la de escala minúscula. El desarrollo de mecánica cuántica y la relatividad general a comienzos del siglo XX significó que podíamos entender tanto las leyes físicas dentro de un átomo como las de la expansión del universo. La mecánica cuántica funciona bien con estructuras pequeñas, y la relatividad general con las grandes. Pero ninguna puede ser aplicada a todo. La teoría de cuerdas es la candidata más prometedora para establecer una teoría unificada que incluya a ambas estructuras.

Los físicos aún no saben si es correcta y si lo es, cómo se conecta con nuestro mundo. Muchas investigaciones usan ideas de la teoría para intentar resolver preguntas acerca del universo observable. Por ejemplo, la teoría de cuerdas no es capaz de describir un mundo de tres dimensiones. Sugiere un mundo con muchas más dimensiones, nueve o diez. En conjunto con Raman Sundrum, hemos demostrado por qué en un mundo con una dimensión adicional espacial, la gravedad sería tan débil. Nuestra idea se basa en una "geometría deformada", que surge a partir de la teoría de la relatividad general de Einstein. Según esa teoría, el tiempo y el espacio están integrados en una única estructura espacial-temporal distorsionada, o deformada, por la materia y la energía. Aplicamos esta teoría en un contexto de dimensiones adicionales y encontramos una configuración en la cual el espacio-tiempo se deforma tanto que aunque la gravedad fuera fuerte en una región del espacio sería endeble en otra. El universo de la propuesta es un multiverso: la gravedad está en un universo y nosotros en otro, separado por una cuarta dimensión espacial.

La evidencia para probar esta teoría podría incluir las partículas Kaluza-Klein (KK), agujeros negros de cinco dimensiones y cuerdas muy livianas de la teoría de cuerdas. Las partículas KK viajan en una dimensión adicional, pero parecen partículas comunes y corrientes en el espacio de tres dimensiones. Cualquier partícula que viaje en una dimensión extra tendría una pareja KK. Eso incluye el gravitón, partícula hipotética que daría origen a la fuerza gravitatoria. Las parejas KK del gravitón interactúan con tanta fuerza en la teoría que cualquier pareja KK producida no podrá simplemente desaparecer. Se descompondrá dentro del detector transformándose en partículas observables, que pueden usarse para reconstruir la partícula KK de la cual se originaron. Las parejas KK del gravitón, aunque provienen de un espacio dimensional más alto, serían distinguibles y visibles, se descompondrían hasta convertirse en partículas conocidas en el detector LHC. Si lo que se encuentra no es algo que se conoce, debe ser nuevo. Si las partículas KK se descomponen, las señales de existencia de dimensiones adicionales serían muy nítidas.

Si somos afortunados, además de parejas KK del gravitón, los experimentos podrían producir un conjunto más rico de partículas KK. También es posible que veamos parejas KK cargadas de quarks y leptones y que podamos medir los bosones. En última instancia, estas partículas podrían proporcionarnos más información acerca de un mundo con dimensiones adicionales. Además de las partículas KK, otras señales de dimensiones adicionales podrían presentarse. A pesar de que los efectos de la gravedad de cinco dimensiones son minúsculos cuando se trata de energías comunes y corrientes, la gravedad de cinco dimensiones será considerable cuando los colisionadores creen partículas de alta energía. De hecho, respecto de las energías alcanzadas por el LHC, los efectos de la gravedad de cinco dimensiones podrían ser tremendos. Se podrían producir agujeros de cinco dimensiones (no es para preocuparse ya que se descompondrían de inmediato) y cuerdas de cinco dimensiones.

Aunque alucino con las dimensiones adicionales, esto no es todo lo que el LHC podría descubrir. Si la supersimetría está correcta, los experimentos en el LHC descubrirán una gran cantidad de partículas con las cargas e interacciones del modelo estándar que conocemos. Sería muy difícil no captar estas partículas cargadas y pesadas que no son parte del modelo estándar. Descubrimientos recientes han mostrado posibilidades asombrosas. Las dimensiones adicionales podrían tener muchas formas y tamaños. También podrían albergar fenómenos exóticos, como multiversos con mundos paralelos en los cuales las fuerzas y la química son completamente distintas. Con mis colaboradores, hemos descubierto que podrían existir dimensiones adicionales que se extienden infinitamente pero que permanecen invisibles. Hemos descubierto teorías que permiten la existencia de bolsillos de gravedad de cuatro dimensiones, en un universo que parece tener más dimensiones en todos los otros lugares. En pocos años, lograremos destapar el universo y los secretos del cosmos comenzarán a aclararse.

Aportado por Eduardo J. Carletti