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Por una teoría de cuerdas unificadora

Reyna Alejandra Fonseca Velázquez
10/sep/2014

¿De qué está formado el Universo? A pesar de los tremendos éxitos de la física de partículas y la cosmología, hay razones para pensar que aún no lo sabemos. Sin embargo, se han desarrollado diversas teorías y modelos que tratan de explicarlo, tales como la teoría de cuerdas.

Esta teoría surge en 1970 por los trabajos realizados por Yoichiro Nambu, de la Universidad de Chicago; Holger Nielsen, del Niels Bohr Institute; y Leonard Susskind, de la Universidad de Stanford, en los que mostraron que si se representa a las partículas elementales como pequeñas cuerdas unidimensionales vibratorias es posible entender las interacciones nucleares.

La teoría supone que todas las partículas que componen la materia (quarks y leptones) están formadas por cuerdas infinitamente pequeñas que son capaces de vibrar de diferentes modos aparentando ser diferentes partículas tal como lo hacen las cuerdas de guitarra generan: al vibrar, cada tono representaría una partícula distinta con sus muy diversas características.

A la fecha, la teoría de cuerdas ofrece unificar las cuatro fuerzas de la naturaleza: fuerza gravitacional, fuerza electromagnética, fuerzas fuerte y débil. Esto no es para nada poca cosa, pues significa unificar nuestra comprensión de la gravedad con la de las otras fuerzas de la naturaleza, tarea que Einstein dejó inconclusa con su muerte en 1955.

Saúl Ramos, investigador del IFUNAM, es uno de los que han retomado esta tarea y, junto con un equipo de investigadores especialistas en dicho tema, ha trabajado para construir un nuevo modelo basado en teoría de cuerdas, que describa al Universo de forma congruente con el Modelo Estándar de partículas elementales, teoría que describe los bloques fundamentales que constituyen al Universo, y la cosmología moderna.

Los resultados de su equipo serán publicados en la revista Journal of High Energy Physics bajo el nombre de "Non-supersymmetric heterotic model building" poco antes de concluir este año.

Otro aspecto esencial del modelo que buscan es que aporte soluciones a problemas que no han sido resueltos con las teorías existentes. “Aún no entendemos muchas cosas que se observan con la física fundamental (…), no conocemos el origen de las fuerzas que nos afectan, por ejemplo, la gravedad o el electromagnetismo”, dice Ramos a Noticias IFUNAM. “La teoría de cuerdas podría indicarnos un origen común para todas ellas”.

La mecánica cuántica es una teoría que nos ha llevado a entender mucho sobre las interacciones moleculares y atómicas. “Todos los fenómenos que habíamos observado hasta el siglo XIX han tenido que ser reformulados para caracterizar su naturaleza cuántica a distancias cortas o de energías muy altas”, abunda el investigador. No obstante, la única fuerza que presenta problemas para ser entendida en el contexto de la mecánica cuántica es la gravedad.

Por fortuna, en la teoría de cuerdas sí es posible entender la gravedad en un formalismo cuántico, explica Ramos, ya que los componentes fundamentales cuánticos que rigen las interacciones gravitacionales son cuerdas en lugar de partículas. Los gravitones (partícula hipotética que sería responsable de transmitir la fuerza gravitacional a nivel cuántico) tradicionalmente son considerados partículas puntuales cuyas interacciones conducen a cantidades que divergen, es decir, cantidades que crecen infinitamente y que, por lo tanto, son inmensurables.

“La teoría de cuerdas se deshace de todas las cantidades divergentes encontradas al momento en que se trata de cuantizar ingenuamente la teoría gravitacional” debido a la suposición fundamental de que las cuerdas -y no las partículas- son quienes rigen las interacciones gravitacionales a pequeñísimas distancias y nos deja solamente con partículas a un nivel de bajas energías o grandes distancias”, partículas (vistas como cuerdas desde el punto de vista de teoría de cuerdas) “que son completamente estables y cuyas interacciones son relacionadas directamente con constantes de acoplamiento entre cuerdas”, y con esto se espera que sea posible construir el modelo que explique nuestro Universo, dice Ramos.


La teoría de cuerdas pretende ser dar descripción completa de la estructura fundamental de nuestro Universo. Por eso, Saúl Ramos utiliza este medio para tratar de crear un modelo que unifique las cuatro fuerzas existentes en el Universo; fuerza fuerte, débil, electromagnética y gravedad, además de ser consistente con la mecánica cuántica y la relatividad. Fuente: www.gothard.hu.

A pesar de todo, las construcciones de cuerdas presentan ciertas complicaciones, pues con él, el Universo pasa de tener 4 a tener 10 dimensiones: “aparte de las 3 dimensiones espaciales y la cuarta dimensión temporal, la teoría supone la existencia de otras 6 dimensiones que están ahí por mera consistencia con la teoría de cuerdas”, explica el investigador.

No se sabe exactamente a qué se deben las otras 6 dimensiones, aunque se infiere que deben tener ciertas propiedades, como que sean compactas (que se pueda encontrar cada uno de sus extremos) y no pueden ser infinitas; además, deberían de ser muy pequeñas.

El ambicioso objetivo de Ramos es poder construir en este contexto un modelo capaz de describir a la naturaleza tal y como la conocemos, que se parezca a lo que se observa en los experimentos, por ejemplo en el LHC o lo que los cosmólogos logran ver en la estructura de la materia del cosmos: estrellas, galaxias, etc., además que contenga las leyes de gravitación de Newton y Einstein a nivel clásico.

Adicionalmente, debería aportar alguna predicción nueva que resuelva alguno de los problemas de la física conocida.

No es una tarea sencilla, pues típicamente es posible reproducir la teoría de Einstein o los modelos de partículas elementales pero es muy complejo reproducir ambos y, a veces, es incluso más complicado debido a que aparecen naturalmente elementos que no hemos observado en la naturalez “como es el caso de la supersimetría”, aclara Ramos.

La supersimetría es una teoría que relaciona a los bosones con los fermiones y que extiende el número de partículas del modelo estándar al asignarle a cada partícula una compañera supersimétrica, partículas que no se han observado en la naturaleza.

Por eso, el investigador se dio a la tarea de extraer aún más de la teoría de cuerdas, eliminando esta posible objeción (la supersimetría) en sus modelos. Identificó una teoría de cuerdas 10-dimensional que no presenta supersimetría y compactificó seis de esas dimensiones para conseguir un modelo que se parece más que ninguno al modelo estándar, de acuerdo al investigador.

Sin embargo, Ramos señala algo muy importante: las palabras “se parece a” son siempre subjetivas porque para él puede parecerse mucho su modelo al modelo estándar, lo que significa para él que se está yendo por buen camino, pero el modelo visto desde la perspectiva de un físico experimental podría parecer que diste muchísimo de las observaciones.

Aún con esto, el modelo cumple con las características de contener las fuerzas fuerte, débil, electromagnética y gravitacional, tal y como existen en nuestro Universo, además existen solamente las partículas que existen en él también, salvo por algunas partículas que podrían ser responsables de fenómenos cosmológicos como la inflación o la probable existencia de materia oscura.

Hay un punto pendiente para Ramos y su equipo. En el modelo, algunas vibraciones de sus cuerdas podrían resultar en partículas taquiónicas, es decir, partículas con masa imaginaria, lo cual no existe en la naturaleza. Sin embargo, “es muy temprano aún para saber si nuestro modelo contiene estas indeseables partículas”, indica el investigador.

Con todo, Ramos concluye que “el paso siguiente es saber cuáles son las constantes de acoplamiento y ver si de todos los modelos que se construyeron sobre la marcha, hay alguno otro que encaje con el Modelo Estándar y que, siendo muy optimistas, quizá pueda explicar la materia oscura”.

Conseguir ese objetivo, dice Ramos, “haría que todos salieran a bailar desnudos en sus azoteas”, sin embargo para eso pasarán algunos años más.

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