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DivulGAE: la divulgación de la física de altas energías

Reyna Alejandra Fonseca Velázquez
5/abr/2017

Hace poco más de dos años, se puso en marcha el programa DivulGAE; Gravitación y Altas Energías como iniciativa de Saúl Ramos, investigador del Instituto de Física (IF), y Alberto Güijosa, del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN), ambos especialistas en súper cuerdas de las dos dependencias de la UNAM.

Su creación se debió a que no existían cursos básicos al respecto. Tiene como propósito orientar a todos los estudiantes de la licenciatura en física, de la Facultad de Ciencias de la UNAM y de cualquier otra institución, con el fin de ponerlos al tanto de los temas que abarcan el estudio de la física de altas energías por medio de charlas impartidas por especialistas.

Como parte de este programa de orientación se invita, principalmente, a los investigadores de la comunidad científica de la UNAM dedicados al estudio de la gravitación y las altas energías. En una hora, explican, con un lenguaje divulgativo, los trabajos que realizan en este contexto, así como los problemas abiertos que aún quedan entorno a su área de investigación.

El pasado jueves 2 de marzo, se presentó dentro de este programa la investigadora del IFUNAM Myriam Mondragón. Su presentación llevó el nombre “Más allá del Modelo Estándar; la búsqueda de una nueva física”, en la que explicó la evolución de los modelos que pretenden explicar la constitución del Universo, desde los más simples y que en su momento fueron los más completos, hasta los más complejos y las razones por las que surgieron nuevas formas de abordar el problema.

Límites y alcances del Modelo Estándar

El Modelo Estándar (ME) está descrito por una teoría del campo cuántica y relativista, “encargada de estudiar las partículas más rápidas y diminutas”, expuso la investigadora. No solo explica la constitución elemental de la materia sino que considera las interacciones entre las partículas y tres de las cuatro fuerzas fundamentales: electromagnética, la fuerza débil y la fuerte. La fuerza gravitacional, por ser muy débil comparada con la fuerte, se considera nula o despreciable para los cálculos matemáticos que se incluyen en el ME y que describen todas las interacciones entre las partículas elementales.

“Aunque el Modelo Estándar sigue siendo un modelo exitoso”, los físicos de altas energías encontraron limitaciones en sus alcances y para ampliarlos desarrollan modelos “basados en él y que serían como extensiones de éste”, y así explicar los fenómenos que el ME original no puede, agregó en su charla Mondragón.

Por ejemplo, el descubrimiento del Higgs, partícula cuya existencia se predijo para explicar, de una manera matemáticamente consistente, la masa de las partículas que conforman el ME, fue de crucial importancia dado que era la última partícula del ME que no se había encontrado. Por otro lado, se observó experimentalmente que los neutrinos se transforman unos en otros, lo cual revela que sí poseen masa, contrario a lo que dice el ME.

La extensión del ME que considere a los neutrinos con masa “no solo necesita explicar cómo los neutrinos obtienen masa sino por qué es tan pequeña” y en todo caso, “buscar si los neutrinos son de Majorana”, es decir, si un neutrino es su propia antipartícula, o si son de Dirac, en cuyo caso habría que encontrar su antipartícula y esta debiera ser descrita por la ecuación de Dirac.

Otro aspecto que no alcanza a cubrir el ME es que “las partículas elementales, los ladrillos que conforman toda la materia conocida, sí sienten los efectos de la gravedad. ¿Cómo explicar eso si en el ME la gravedad es considerada nula?”, la respuesta sería crear un modelo en donde sí se considerara esta interacción.

Así como el fotón, que es una partícula elemental sin masa responsable de la interacción electromagnética, el gravitón es una partícula elemental hipotética que se encargaría de la interacción gravitatoria, en el ME no es posible explicar a esta última partícula, sin embargo en la teoría de cuerdas sí se puede.

Una nueva forma de ver al Universo

La teoría de cuerdas surgió por la necesidad de explicar la interacción gravitacional. Esta teoría propone que cualquier partícula elemental, de cualquier masa, estado cuántico, carga o cualquier otra propiedad son en realidad estados vibracionales de un objeto común para todos: una cuerda, como la cuerda de una guitarra, solo que con una longitud muy pequeña, la longitud de Planck (~ 10−35 m).

Como en una guitarra, una cuerda de la teoría de cuerdas vibra a frecuencias de resonancia o armonías, como las notas musicales. Cuando oscilan de cierta forma o frecuencia, microscópicamente veríamos un electrón; pero si oscila de otro modo, entonces podríamos ver un fotón, un quark, o cualquier otra partícula del ME. Así, cada cuerda tendría una única resonancia y las diferentes resonancias armónicas determinarían diferentes partículas fundamentales. El gravitón, que sería una cuerda con amplitud de onda cero, aparece naturalmente en estas teorías.

Sin embargo, en la teoría de cuerdas existe una dimensión temporal, tres dimensiones espaciales ordinarias y seis dimensiones compactificadas e inobservables en la práctica. En algunas extensiones de la teoría de supercuerdas, como la teoría de branas, el gravitón es la única cuerda que se puede mover en todas las dimensiones, lo cual explicaría la debilidad de la interacción gravitacional.

Aunque suene fácil, considerar los efectos gravitatorios (así como los neutrinos con masa) hace mucho más complicadas las matemáticas de los modelos que intenten explicar el efecto. Pero esto no parece importarles a los investigadores, que cada día avanzan más en el desarrollo de nuevas teorías y nuevas matemáticas para entender el fascinante mundo de las partículas de altas energías.


Foto: Reyna Alejandra Fonseca/Unidad de Comunicación, IFUNAM.