8/May/07

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Físicos conectan la Teoría de Cuerdas con la física establecida

La Teoría de Cuerdas, una de las ideas más controvertidas y prometedoras de la física moderna, puede ser capaz de ayudar a investigar el funcionamiento interno de las partículas subatómicas mejor de lo que se pensaba previamente.

La teoría ha sido elogiada por algunos físicos debido a su potencial para forjar el tan buscado vínculo entre la gravedad y las fuerzas que dominan en el núcleo atómico. Pero la teoría – que propone que todas las partículas subatómicas son en realidad diminutas "cuerdas" que vibran de diferentes formas – también tiene críticas por ser incomprobable en el laboratorio, y tal vez imposible de conectar con los fenómenos del mundo real.

Sin embargo, los investigadores de Princeton han descubierto una nueva prueba matemática de que alguna de las predicciones de la Teoría de Cuerdas se entrelazan estrechamente con un cuerpo de la física muy respetable llamado "Teoría Gauge", el cual se ha demostrado que subyace en las interacciones entre quarks y gluones, los menudos objetos que se combinan para formar protones, neutrones y otras partículas subatómicas más exóticas. El descubrimiento, dicen los físicos, podría dar lugar a una gran cantidad de usos de la Teoría de Cuerdas atacando problemas de la física práctica.

"Estos problemas incluyen la descripción de las interacciones entre los dentro de los núcleos atómicos", dijo Igor Klebanov, Profesor Thomas D. Jones de Física Matemática en Princeton y autor de un artículo reciente sobre el tema. "Anteriormente hemos sido capaces de estudiar estas interacciones en detalle sólo en condiciones de alta energía dentro de aceleradores de partículas, pero con estos hallazgos podremos ser capaces de describir qué sucede dentro de los átomos que forman las rocas y árboles. Aún no podemos hacerlo, pero parece que las matemáticas de la Teoría de Cuerdas podrían ser el puente que necesitamos para salvar esta distancia".

El artículo del equipo apareció en el número del 30 de marzo de la revista científica Physical Review Letters. Los coautores de Klebanov incluyen al estudiante graduado Marcus Benna y a los profesores de posdoctoradod Sergio Benvenuti y Antonello Scardicchio.

Para Klebanov, los hallazgos representan un gran éxito en la búsqueda durante décadas de conexiones entre la Teoría de Cuerdas y la Teoría Gauge, la última de las cuales – para un físico de partículas – trazan las leyes establecidas que describen la materia común.

Las múltiples facetas de la Teoría Gauge se añaden a una descripción bien establecida y coherente de los comportamientos de quarks y gluones, los cuales componen mayormente las formas más comunes de la materia. Décadas de observaciones en aceleradores de partículas han demostrado que la Teoría Gauge justifica el comportamiento de los quarks y gluones bastante bien, al menos a los niveles de alta energía que existen cuando dos partículas aisladas se estrellan casi a la velocidad de la luz.

A estas altas energías, la fuerza de interacción que mantiene unidos a los quarks se hace más débil, y los científicos pueden separar sus constituyentes para observarlos. Desafortunadamente, estas observaciones – e incluso la misma Teoría Gauge cuando se aplica a estas altas energías – no revelan tanto como le gustaría a los físicos sobre el movimiento de la materia común a velocidades corrientes.

"La dura verdad es que cuando los quarks y gluones comienzan a unirse en protones y neutrones, esta fuerza de interacción se hace muy fuerte, y es difícil usar la Teoría Gauge para comprenderlo", dijo Klebanov. "Básicamente, para comprender cómo estamos hechos de todo esto en realidad, necesitamos comprender el comportamiento de los quarks y gluones cuando la fuerza de interacción se hace fuerte".

En los años 70, los físicos propusieron que cuando una Teoría Gauge pierde su potencia para describir el comportamiento de partículas como quarks unidos entre sí, la Teoría de Cuerdas sería capaz de dar un paso adelante y llevar a cabo este trabajo. Lo que los teóricos de cuerdas necesitaban era alguna indicación de que ambas teorías estaban encaminadas en la misma dirección.

El golpe de suerte llegó en 1997 y principios de 1998 cuando se conjeturó una relación precisa entre ambas en un trabajo de los físicos de Princeton Alexander Polyakov, Steven Gubser y Klebanov, así como Juan Maldacena y Edward Witten del Instituto de Estudios Avanzados. No obstante, se necesitaba más trabajo para explicar esta conexión.

"Era como si nuestra comprensión fuese un camino que comenzaba en el punto donde las interacciones entre quarks eran débiles", dijo Klebanov. "Podríamos seguir durante algunos kilómetros a través de fuerzas de interacción cada vez mayores, pero entonces se detiene antes de alcanzar las enormes fuerzas que existen en los átomos de las rocas y los árboles – que es la sección del camino que describe la Teoría de Cuerdas".

Entre estas dos partes del camino aparece un abismo matemático aparentemente insalvable, y Klebanov tenía algo más que una corazonada de que existía alguna transición moderada entre la Teoría de Cuerdas y la Teoría Gauge.

"En términos simples, lo que en realidad queríamos era alguna indicación de que tal transición suave existe, lo cual sugeriría que ambas partes del camino eran de la misma ruta", dijo Klebanov. "Pero teníamos problemas en hallar algún tipo de conexión entre ellas".

La Teoría de Cuerdas, por toda su belleza matemática, de nuevo parecía demasiado difícil de comprobar – hasta que Niklas Beisert, profesor asistente de física en Princeton, publicó un artículo a final de octubre del pasado año que contenía una ecuación que resultaba una parte crucial del puzzle.

"Beisert y sus colaboradores hicieron una conjetura muy inspirada basada en unas sofisticadas nociones del comportamiento de la Teoría Gauge", dijo Curtis Callan, Distinguido Profesor James S. McDonnell de Física en la Universidad de Princeton. "Su ecuación permitía a Igor y sus colegas resolver la "transición" entre los dos regímenes. Ellos demostraron que las predicciones de la Teoría de Cuerdas encajaban exactamente con el límite de interacción débil. Este fue la parte difícil".

Beisert dijo que el trabajo de su equipo proporcionó una útil prueba abstracta de la transición entre las fuerzas de interacción débil y fuerte, pero tal prueba numérica hasta ahora había estado ausente.

"El resultado del grupo de Klebanov da una maravillosa prueba numérica de la validez de nuestra propuesta", dijo Beisert, quien es también jefe del grupo de investigación en el Instituto Albert Einstein en Potsdam, Alemania. "Todos estos estudios nos hacen estar seguros de que la Teoría de Cuerdas y la bien establecida Teoría Gauge son en realidad dos caras de la misma moneda".

Lance Dixon, físico del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC), dijo que el nuevo artículo del grupo de Klebanov proporciona una intercomprobación vital de las ecuaciones del equipo de Beisert, las cuales descansan sobre unas intuitivas pero no probadas suposiciones.

"El trabajo de Igor Klebanov y su grupo tuvo un verdadero éxito al eliminar todas las persistentes dudas sobre la validez de las ecuaciones", dijo Dixon, cuyo trabajo proporciona otra prueba a favor de la propuesta del equipo de Beisert. "La búsqueda se encuentra ahora en una amplia red de conexiones que unen el comportamiento de alta energía de quarks y gluones a la que funcionan las cuerdas, una red en la que la primera piedra ya ha sido puesto por el trabajo de ambos equipos".

Klebanov, aunque apunta las contribuciones de muchos otros científicos, acredita a Beisert por "proporcionar las técnicas y escribir esta fantástica ecuación", y dijo que los propios hallazgos de su equipo fueron posibles en gran medida debido al artículo del equipo de Beisert.

"Tal particularidad de la Teoría Gauge, que en cierto sentido es "resoluble exactamente", consigue un sueño ansiado durante mucho tiempo", dijo Klebanov. "Esto es casi como llegar a un bache que esperabas encontrar entre dos secciones del camino y descubrir que alguien ha construido una suave conexión entre ambos que no habías notado cuando pasaste sobre él".

Esto no significa que la Teoría de Cuerdas se convierta en una explicación global aceptada de la física subatómica en algún futuro cercano. El equipo de Klebanov ha encontrado un puente que une la física establecida con la teoría matemática, lo cual es sólo un paso hacia una prueba sólida experimental de que el mundo está en realidad construido a partir de diminutas cuerdas vibrantes. E incluso este puente se aplica sólo a una faceta de la Teoría Gauge. Será necesario sobrepasar este obstáculo en otras facetas para permitir a los físicos comprender a nivel fundamental el interior de los protones y neutrones que conforman la Tierra que yace bajo nuestros pies.

"Creo que hay esperanza de que otras facetas de la Teoría Gauge sean susceptibles de un tratamiento similar", dijo Klebanov. "No sabemos con seguridad si podemos usar este descubrimiento para tratar otros problemas, pero al menos ahora tenemos nuevos métodos para salvar el vacío entre los regímenes de interacción fuerte y débil en la Teoría Gauge".

Fuente: Astroseti . Aportado por Gustavo Courault