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Al intentar explicar lo que me motiva como físico, me viene a la mente la película Un pasaje a la India (1984). Basada en la obra de teatro de Santha Rama Rau, adaptada de la novela de E M Forster, describe las consecuencias de un caso de violación en la ciudad ficticia de Chandrapore, durante el Raj británico en la India de los años veinte. Lo que mantiene la atención del espectador es la sutileza de las relaciones entre los personajes, en particular la frágil amistad entre el hombre acusado de la violación, el Dr. Aziz, y un inglés, el Sr. Fielding. Los datos sobre la identidad por sí solos, como la raza, la clase, el sexo o el nivel educativo, nunca podrán revelar estas dinámicas ni captar por qué nos fascinan. Cuando el caso llega al tribunal, personas ostensiblemente similares se comportan de forma muy diferente en relación con el acusado. La dinámica del comportamiento individual triunfa sobre cualquier etiqueta inmutable que podamos aplicar; sin embargo, estas etiquetas estáticas también imponen limitaciones sobre hasta dónde puede llegar cualquier individuo. Observamos, teorizamos y actualizamos nuestros conocimientos sobre los personajes y las fuerzas en juego. Al final, descubrimos que Fielding y Aziz son más parecidos de lo que pensábamos, habiendo creado un nuevo vínculo sobre la base de una comprensión más completa el uno del otro.
La curiosidad que impulsa a Fielding y a Aziz a ser más parecidos de lo que pensábamos es la base de una comprensión más completa el uno del otro.
La curiosidad que mueve a muchos físicos de partículas no es tan distinta de la que nos mantiene mirando Un pasaje a la India. Los datos obvios e inmutables sobre la identidad de las partículas elementales incluyen sus espines, sus cargas eléctricas y sus masas. De los muones a los amuletos, podemos conocer esa información con bastante rapidez. Pero se necesitan años, incluso vidas, para revelar tanto la naturaleza como el grado de sus relaciones. El neutrino, por ejemplo, fue introducido en 1930 por Wolfgang Pauli, que necesitaba dar cuenta del hecho de que la energía se conservaba cuando un núcleo se rompía. Pero nunca habría imaginado lo profunda que es la relación entre un electrón giratorio zurdo y el neutrino. Hicieron falta más de 40 años de cuidadosas observaciones e ingenioso trabajo teórico para revelar la relación unificada más profunda que mantienen juntos: a través de la fuerza fundamental que ahora conocemos como “fuerza débil”. Ahí es donde se encuentra el aprendizaje más profundo y satisfactorio de la física de partículas: a través de las minuciosas observaciones y la criba de pruebas surge la voluntad creativa de permitir múltiples posibilidades.
Con el descubrimiento de la fuerza débil, la física de partículas se ha convertido en un campo de batalla en el que se puede aprender mucho.
Con el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, se han encontrado todas las partículas elementales predichas por el Modelo Estándar de la física. Sin embargo, el campo dista mucho de estar “acabado”. Entre los continuos trabajos, los físicos siguen buscando una gran teoría unificada que explique las fuerzas que operan a nivel subatómico, una comprensión común que dé cuenta de los fenómenos dispares que observamos entre las partículas que tenemos entre manos. No todo el mundo está de acuerdo en que esto merezca la pena o incluso sea posible; algunos piensan que terminamos de aprender cosas nuevas sobre las partículas elementales en 2012, y que debemos aceptar la cacofonía de detalles inconexos en nuestras tablas de física. Pero yo creo que para comprender la naturaleza en sus fundamentos es necesario ir más allá, desenterrar relaciones más sutiles y sorprendentes bajo la superficie de lo que vemos. Nuestras observaciones hasta la fecha apoyan la idea de que puede lograrse una teoría unificada de las fuerzas subatómicas. De ser cierta, revolucionaría nuestra comprensión de la naturaleza mucho más allá de cualquier descubrimiento de la física de partículas en el último medio siglo, algo parecido a las transiciones teológicas de la religión politeísta (muchas deidades, muchas fuerzas fundamentales) a una religión monoteísta (un Dios unificado, una fuerza unificada).
Las revelaciones de la unificación – “se parecen más de lo que pensábamos”- han sido notablemente productivas en toda la ciencia. Ahora sabemos que la naturaleza es a menudo más simple y está más cohesionada de lo que parece. Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, nuestras teorías sobre por qué se mueven los planetas estaban desconectadas de las creencias sobre por qué las rocas caen por las montañas y las manzanas se desprenden de los árboles. Pero en 1687, Isaac Newton reveló que la gravedad ofrecía una explicación única y unificadora. Todas las explicaciones que tenían una “fuerza” para los planetas que deambulan por el cielo y otra para las manzanas que son arrastradas hacia el suelo, se reunieron en un marco económico.
Otras fuerzas extrañas, como la fuerza de la gravedad, se movían y caían de los árboles.
Se nos revelaron otras fuerzas extrañas, pero las buenas explicaciones tardaron en llegar. Entre sus obligaciones atendiendo las necesidades médicas de la reina Elizabeth I y su corte, el médico y físico William Gilbert escribió su obra magna De Magnete a principios del siglo XVII sobre las fuerzas y atracciones de las cargas eléctricas que explicaban el funcionamiento de una brújula. Pero el reto de cómo conciliar las cargas eléctricas con la atracción y repulsión magnéticas fascinó y confundió a los filósofos naturales durante siglos. El logro supremo llegó en 1861, cuando James Clerk Maxwell desveló una serie de ecuaciones que equiparaban la electricidad y el magnetismo. La teoría del electromagnetismo demostró que eran “más parecidos de lo que crees”.
Lo que condujo a Einstein a la relatividad general fueron los pensamientos de unificar objetos dispares
Sin embargo, quedaba un enigma en la teoría de la gravedad de Newton y en sus leyes del movimiento. La masa de una partícula que se utiliza en las ecuaciones para predecir la aceleración de la partícula cuando está sometida a cualquier fuerza (fuerza electromagnética, fuerza gravitatoria, fuerza debida a un muelle, etc.) es misteriosamente exactamente la misma masa que se utiliza en diferentes ecuaciones para determinar qué fuerza gravitatoria existe entre la partícula y algún otro cuerpo. El primer tipo de masa se denomina “masa inercial” y el segundo “masa gravitatoria”. Newton tuvo que suponer arbitrariamente su equivalencia exacta para obtener las respuestas correctas, aunque no había ninguna razón de peso para que así fuera.
Sin embargo, la teoría general de la relatividad de Albert Einstein resolvió este misterio al teorizar que existe un único origen unificado para ambos tipos de masas. Einstein reconoció que la sensación de ingravidez total cuando estás en caída libre, incluso en presencia de gravedad, se debe a la equivalencia de tus masas inercial y gravitatoria. Elevó esta observación al principio de equivalencia. En un aclamado artículo de revisión sobre la relatividad de 1907, concluyó que cualquier nueva teoría gravitatoria que incluyera sus nuevos conceptos debía ajustarse al principio de equivalencia. Fue esta idea la que, en última instancia, le ayudó a completar la formulación de la teoría general de la relatividad en 1915.
Lo interesante del principio de equivalencia, desde nuestro punto de vista, es que podría llamarse también principio de unificación de masas. Lo que llevó a Einstein a la relatividad general fue la idea de unificar objetos dispares (estas masas son más parecidas de lo que crees), que en la antigua teoría no tenían por qué estar conectados entre sí. Newton unificó las órbitas planetarias y las caídas de manzanas; Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo; y Einstein unificó la masa inercial y la masa gravitatoria.
¿Qué nueva frontera podemos identificar en la naturaleza que exija una comprensión más profunda de las relaciones entre partículas, un nuevo principio en la tradición de unificar las órbitas planetarias con las manzanas que caen, la electricidad con el magnetismo y la masa inercial con la gravitación? Una buena respuesta es una relación más estrecha entre las partículas elementales mediante la unificación de ciertas fuerzas que determinan sus interacciones, conocidas como fuerzas de gálibo. Estas tres fuerzas son el electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte.
Con estas tres fuerzas vienen muchos bosones gauge, una forma elegante de describir las partículas que se intercambian para activar las fuerzas. Hay un total de 12 bosones gauge, o portadores de fuerzas, en el Modelo Estándar. Hay un bosón gauge electromagnético (el fotón) asociado a la fuerza gauge electromagnética, tres bosones gauge débiles (W+, W-, Z) asociados a la fuerza gauge débil, y ocho bosones gauge de fuerza fuerte (los gluones) asociados a la fuerza gauge fuerte.
El bosón gauge electromagnético (el fotón) está asociado a la fuerza gauge débil.
La fuerza electromagnética está mediada por fotones, que se intercambian entre partículas que sienten atracciones y repulsiones eléctricas. La fuerza gauge débil es la que hace que muchas partículas se descompongan en otras. Por ejemplo, un neutrón se desintegra espontáneamente en tres nuevas partículas: un protón, un electrón y un antineutrino. No entendíamos exactamente cómo podía producirse esta desintegración. Al fin y al cabo, ni el neutrón ni el neutrino tienen carga eléctrica, por lo que no pueden hablar entre sí mediante el intercambio de fotones de la fuerza electromagnética. Entonces, si no es mediante fotones y electromagnetismo, ¿qué fuerza podría permitir la desintegración? Posteriormente supimos que algo ocurrió entre la existencia del neutrón y la aparición de las otras tres partículas que explicaba la desintegración: una brevísima, mecánica cuántica, existencia de una fracción de segundo de una partícula bosón W que se intercambia entre las partículas, actuando como vehículo de la fuerza débil. Al igual que el fotón permite que las partículas cargadas interactúen entre sí, el bosón W permitió que el protón, el neutrón, el electrón y el neutrino interaccionaran entre sí, permitiendo la desintegración del neutrón. Las “desintegraciones beta” nucleares radiactivas proceden del mismo intercambio de bosones W por la fuerza débil. Mientras tanto, la fuerza fuerte es lo que mantiene unidos a los quarks dentro del protón y el neutrón.
Nuestras observaciones hasta la fecha nos empujan a considerar la existencia de una Teoría-Ur de la naturaleza
Ahora bien, ¿y si las tres fuerzas gauge se unificaran en una gran fuerza unificada, una única fuerza Ur? ¿Cuáles serían las consecuencias observacionales de tal realidad? En primer lugar, las cargas relativas de cada partícula bajo las tres fuerzas gauge tendrían que seguir un patrón muy particular, coherente con lo que requeriría una gran fuerza unificada. En segundo lugar, la fuerza de cada una de las tres fuerzas tendría que converger hacia una fuerza unificada a medida que avanzamos hacia energías más altas. En tercer lugar, habría nuevas partículas además de las que ya hemos visto. Y, por último, habría desintegraciones e interacciones entre las partículas conocidas que nos son impuestas, incluso a bajas energías, por la gran teoría unificada.
Nuestras observaciones hasta la fecha nos empujan a pensar en la existencia de una teoría Ur de la naturaleza. Considera el hecho de que un electrón zurdo tiene una carga eléctrica de –1 bajo la fuerza electromagnética, una carga de 2 (una “carga de espín”) bajo la fuerza gauge débil, y una carga de 0 bajo la fuerza fuerte. Al mismo tiempo, el quark descendente diestro tiene una carga eléctrica de –1/3, una carga de fuerza débil de 0 y una carga de fuerza fuerte de 3 (una “carga de grupo unitario tridimensional”, aunque no es necesario comprender aquí los detalles matemáticos). Así pues, entre estas dos partículas, tenemos cargas de 0, –1/3, –1, 2 y 3, etc. para las distintas fuerzas dispuestas de una manera particular. Es un grupo variopinto de números mezclados, que no parece tener mucha rima ni razón de ser. Sin embargo, una escuela matemática conocida como teoría de grupos nos dice que ésta es exactamente la colección de cargas que se necesitan para formar una nueva partícula unificada: llamémosla P, que puede representarse como P=(electrón zurdo, neutrino zurdo, quark descendente diestro).
Esta es la gran partícula unificada.
De igual modo, podemos analizar más partículas del Modelo Estándar, como electrones diestros, quarks up diestros y quarks up y down zurdos. Después de muchas mediciones, encontramos otra serie de valores arbitrarios para las cargas que muestran bajo las tres fuerzas gauge. Sin embargo, al examinarlos más de cerca utilizando las matemáticas de la teoría de grupos, descubrimos que esos números también encajan mágicamente con exactitud en una única gran partícula unificada: W=(electrón diestro, quark descendente zurdo, quarks ascendentes diestro e izquierdo). Es como si 10 piezas de puzzle muy desordenadas y esparcidas por el suelo se unieran para formar un círculo perfecto.
No tenía por qué ser así. Las cargas de las partículas elementales de nuestro Universo podrían haber sido tales que no hubiera forma de unificar dos o más de ellas en una sola partícula unificada. Es la combinación de datos observacionales y matemáticas lo que nos ofrece fuertes indicios de que las cargas de las partículas elementales en el modelo estándar no son arbitrarias, sino que surgen en virtud de estar incrustadas en el marco de una gran teoría unificada.
The aquí un segundo conjunto de datos observacionales que insinúan que la unificación de las fuerzas gauge es una elección de la naturaleza. Esto proviene de la medición de la fuerza de las fuerzas. Cuando medimos la fuerza de la interacción electromagnética y la comparamos, por ejemplo, con la interacción fuerte, obtenemos una respuesta muy diferente. Para partículas que colisionan con energías aproximadamente 100 veces la de la masa del protón, la fuerza de interacción débil es adébil=0. 033, lo que contrasta con una fuerza de interacción fuerte de aproximadamente afuerte=0,118. Vemos que αadébil es mucho menor que αafuerte, lo que no es lo que cabría esperar si las fuerzas están unificadas. Más bien, normalmente pensaríamos que deberían ser iguales si estuvieran realmente “unificadas”.
La resolución de este enigma es que la fuerza de las fuerzas depende de la escala de energía a la que se evalúan. Es decir, las fuerzas deberían unificarse a la escala de energía en la que la teoría de la gran unificación es válida, y no a energías inferiores en las que la fuerza de la gran unificación podría dividirse espontáneamente en una multitud de otras fuerzas (electromagnética, débil y fuerte). Así pues, la cuestión no es si la fuerza de las fuerzas es la misma en una escala de energía elegida al azar, sino si existe cualquier escala de energía en la que los acoplamientos se correspondan.
Podrían ser crueles coincidencias de la naturaleza que nos han llevado por mal camino
Afortunadamente, un conjunto de técnicas conocidas como flujo de grupo de renormalización de las fuerzas de acoplamiento -de las que Kenneth Wilson fue pionero a principios de la década de 1970- nos permiten comprobar las energías necesarias para la unificación de las fuerzas. En primer lugar, introducimos los valores de las intensidades de fuerza medidas a cualquier escala y, a continuación, “ejecutamos los acoplamientos” utilizando los métodos matemáticos para ver si los acoplamientos convergen a alguna escala superior. Increíblemente, descubrimos que la fuerza más potente (la fuerza fuerte) disminuye su fuerza entre las partículas cuando éstas chocan entre sí a energías muy elevadas, mientras que la fuerza más débil (la fuerza de hipercarga, derivada del electromagnetismo) aumenta su fuerza. Por tanto, las tres fuerzas (hipercarga, débil y fuerte) se aproximan mucho entre sí, como exige la gran unificación de fuerzas, a una energía de unos 15 ó 16 órdenes de magnitud (1015 o 1016) superior a la masa de un protón. Imagina a tres jugadores de fútbol en distintos puntos del campo dando patadas a sus balones y que los tres chocan en un punto sobre el centro del campo. Se te perdonaría pensar que lo han hecho a propósito para intentar hacer un vídeo viral en YouTube. De forma análoga, muchos físicos no creen que fuera un accidente que los acoplamientos de las tres fuerzas converjan a altas energías, y por tanto tenemos una imagen muy tentadora de la gran unificación de las fuerzas: la naturaleza lo hizo “a propósito”.
De nuevo, no tenía por qué ser así. Una de las fuerzas podría haberse alejado del grupo a medida que ascendíamos en la escala energética. Esto habría hecho que el proyecto de la gran unificación pareciera inmediatamente imposible o muy sospechoso. Además, la escala de la unificación putativa contribuye a la visión positiva de este cuadro. Su valor no es demasiado bajo para tropezar con el problema de la desintegración de los protones (que se tratará más adelante), ni demasiado alto (1017 o superior) para confabularse con la inescrutable dinámica de la gravedad fuerte que estropea todos los cálculos e interpretaciones. Volvemos a ver que los datos observacionales (mediciones de la fuerza de la gravedad) y el trabajo teórico (teoría de grupos y técnicas de grupos de renormalización) nos han conducido hacia la gran unificación.
¿Hay alguna forma de llegar a la gran unificación?
¿Hay alguna forma de obtener pruebas directas de la unificación? Lo que he descrito hasta ahora cuentan como fuertes indicios, pero de ningún modo son pruebas. Podrían ser crueles coincidencias de la naturaleza que nos han llevado por mal camino. Para obtener una “prueba a todos los efectos prácticos” tendríamos que hacer experimentos a escala de unificación y observar la producción de nuevas partículas y nuevas interacciones directamente mediante colisiones. Por ejemplo, muchas ideas de la gran teoría unificada requieren la existencia de un bosón gauge adicional de gran unificación que podría producirse directamente en colisiones, verse y medirse. Desgraciadamente, no es posible construir un colisionador de alta energía que pueda alcanzar las energías en las que creemos que reside la gran teoría unificada. Hemos tardado muchas décadas en alcanzar energías de sólo unos miles de veces la masa del protón, y es posible que los experimentos nunca puedan alcanzar energías de 15 órdenes de magnitud superiores, que es lo que haría falta para convencer a los escépticos más acérrimos.
Pero la búsqueda de una gran teoría no ha terminado. Una de las pistas más buscadas son los datos relacionados con la búsqueda de la desintegración del protón. Junto con el neutrón, el protón forma los núcleos de nuestros cuerpos. Si el protón se desintegrara rápidamente, alteraría nuestras células y nos provocaría cáncer, y nunca podríamos tener una vida fiable. Afortunadamente, el protón vive mucho tiempo: por lo que sabemos, vive al menos 1034 años. Es decir, unos 24 órdenes de magnitud más que la vida del Universo. La predicción de las grandes teorías unificadas para la vida del protón se sitúa generalmente en el intervalo de 1030 a 1036 años.
Puede descartarse cualquier teoría que prediga una vida útil del protón inferior a 1034 años. La gran teoría unificada más simple es la teoría mínima SU(5) de Georgi-Glashow, propuesta en 1974. En sus inicios, los investigadores pensaban que predecía que la vida del protón sería inferior a 1030 años. En aquel momento, la confianza era tan alta que sus defensores creían que observarían rápidamente la desintegración del protón en los experimentos. En cambio, en 1983 el resultado del experimento IMB (Irvine-Michigan-Brookhaven) fue negativo. El tiempo de vida de un protón debía ser superior a 1031 años, lo que parecía descartar la teoría mínima de Georgi-Glashow.
Sin embargo, los cálculos que parecían tan rigurosos a principios de los 80 parecen hoy aproximaciones sobre simplificaciones. Si se tienen en cuenta las correcciones cuánticas a gran escala, se llega a una gran unificación perfectamente aceptable con una predicción de la vida de la desintegración del protón superior a 1034 años. Esto significa que la desintegración del protón sigue siendo una frontera prometedora en la búsqueda de una gran teoría unificada.
34 años.
La historia de la naturaleza está aún más tejida con un número infinito de patrones, la mayoría aún sin ver
Ahora se están construyendo dos experimentos que aumentarán nuestra capacidad de averiguar si el protón decae en tiempos de vida aún mayores que los límites actuales. Tanto el experimento DUNE, en Estados Unidos, como el experimento Hyper-Kamiokande, en Japón, intentan encontrar pruebas. Estos experimentos consisten en llenar recipientes con 40 kilotones de argón líquido y 260 kilotones de agua ultrapura, respectivamente, y rodearlos de equipos de detección para ver los diminutos destellos de electricidad o luz que serían los signos reveladores de la desintegración de un protón en medio de todo ese material. Los dos modos principales de desintegración que buscan son la desintegración del protón en partículas de positrones y piones (la desintegración estándar que predicen casi todas las teorías de la gran unificación) y la desintegración del protón en partículas de kaones y neutrinos (que es especialmente importante para la unificación que incorpora una idea conocida como supersimetría).
Si realmente existe una gran unificación, el protón se desintegraría en partículas de kaones y neutrinos.
Si realmente existe una gran teoría unificada que explique el Universo más allá del modelo estándar, es probable que veamos ambas o cualquiera de estas desintegraciones. Por ejemplo, la desintegración del protón se basa en el hecho de que el quark up, el quark down y el positrón pueden unirse de forma unificada para convertir dos quarks up del protón en un anti-down quark en el pión y un positrón, todo ello gracias al intercambio de un bosón X gauge muy pesado presente en la gran fuerza gauge unificada. Además, Hyper-Kamiokande espera poder encontrar pruebas de que el protón decae de este modo si su vida útil es inferior a 1035 años. Esto es un orden de magnitud más sensible que los experimentos actuales, pero aún no está claro si nos da suficiente para ver la desintegración real. Deberíamos saberlo dentro de unos 15 a 20 años, cuando se haya construido la nueva generación de experimentos, como DUNE e Hyper-Kamiokande, y se hayan tomado suficientes datos como para hacer una buena prueba de las ideas.
Es vital que los experimentos actuales sean más sensibles que los actuales.
Es vital que encontremos y cataloguemos las partículas que sirven de materia prima a la naturaleza. Pero si nos detenemos ahí, somos como escolares impacientes que se limitan a leer la sinopsis de Wikipedia de Un pasaje a la India y luego se ponen a escribir sus trabajos trimestrales. Hay mucho más que aprender y sintetizar sobre esta compleja narración de lo que revelan los hechos básicos. La historia de la naturaleza está tejida con un número infinito de patrones, la mayoría aún invisibles. Las sutiles relaciones entre las partículas -las interacciones entre ellas en muchos entornos diferentes- es lo que confiere riqueza a nuestra comprensión. Las revelaciones de la unificación en la ciencia en general, y especialmente en la física, han sido increíblemente fructíferas a la hora de profundizar en nuestro conocimiento y de iluminar el camino hacia futuros descubrimientos.
Entre las muchas posibilidades de unificación, la naturaleza parece habernos dejado pistas irresistibles de que nuestras partículas y nuestras fuerzas gauge están efectivamente unificadas en una gran teoría unificada de algún tipo. Estos indicios se basan en datos observacionales junto con las avanzadas herramientas teóricas de la teoría cuántica relativista de campos y las matemáticas de la teoría de grupos. Sin embargo, las limitaciones de nuestra tecnología también han hecho que nos resulte extremadamente difícil obtener pruebas más directas. Ver cómo se desintegra un protón es una de nuestras pocas esperanzas de obtener una corroboración más directa, y por eso se está dedicando tanto esfuerzo a observar protones con ojo de águila para ver si alguno se desintegra. Los datos determinarán si las teorías unificadas seguirán dando sus frutos como lo han hecho durante tantos siglos. Si la historia nos sirve de guía, tenemos motivos para creer que así será.
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es profesor de Física en el Centro Leinweber de Física Teórica de la Universidad de Michigan. Es autor de Teorías Efectivas en Física: De las órbitas planetarias a las masas de partículas elementales (2012) y Descubrimientos más allá del modelo estándar de la física de partículas elementales (2020).
