05/01/2012 - La teoría de las cuerdas. ¿Existe una teoría del todo?

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La física, en realidad, son dos ciencias. Está la mecánica cuántica, el extraño y tumultuoso mundo donde las partículas aparecen y desaparecen y los gatos están a la vez vivos y muertos.

Y está la relatividad general, la majestuosa visión de Einstein de objetos masivos que curvan el espacio y el tiempo.

Desde que surgieron estas dos visiones distintas del mundo a principios del siglo XX, generaciones de físicos han tratado de unificarlas en una sola teoría que, idealmente, describiría las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza Incluso Einstein lo intentó, y falló. Ahora, después de unas décadas especialmente frustrantes con pocas pruebas nuevas para guiarnos, los físicos actuales pueden estar a punto de lograr unas tentadoras pistas sobre cómo encajan entre sí las fuerzas.

Se espera que las pistas lleguen desde el Gran Colisionador de Hadrones, un anillo de imanes superconductores en los Alpes diseñado para impactar protones entre sí a energías nunca antes vistas en la Tierra. El colisionador empezó a funcionar en marzo de 2010, y se espera que alcance su máxima potencia en 2014, cuando intentará colisionar protones al doble de la energía actual.

ncluso entonces, el LHC estará lejos de ser lo bastante potente para recrear la única fuerza unificada que los físicos creen que existió durante una fracción de segundo después del Big Bang - necesitarías un colisionador tan grande como el propio universo para hacer éso. Pero el LHC podría ser capaz de poner a prueba alguna de las predicciones hechas por la principal teoría que une la gravedad y las otras fuerzas.

La teoría de supercuerdas - o teoría de cuerdas para abreviar - une toda la física en un paquete, reduciendo la desconcertante taxonomía de partículas del actual bestiario de la física, el Modelo Estándar, a fragmentos idénticos de cuerdas, cada uno de menos de una milmillonésima de milmillonésima de milmillonésima de centímetro de largo. De acuerdo con la teoría de cuerdas, las partículas que portan las tres fuerzas incluidas en el Modelo Estándar - el fotón (electromagnetismo), el gluón (fuerza nuclear fuerte) y los bosones W y Z (fuerza nuclear débil) - son sólo los mismos minúsculos bailarines siguiendo cada uno ritmos distintos.

Y, al contrario que el Modelo Estándar, la teoría de cuerdas tiene un sitio para la gravedad.

Aunque hay propuestas junto a la teoría de cuerdas que intentan explicar cómo encajarían todas las fuerzas de la naturaleza, la mayor parte de esas teorías tienen grandes problemas. Algunas, por ejemplo, predicen la existencia de partículas que no pueden existir.

El principal obstáculo de la teoría de cuerdas es que requiere que haya muchas más cosas en el universo de lo que pueden estudiar los físicos, haciendo que la teoría sea muy difícil de poner a prueba. Por ejemplo, la mayor parte de versiones de la teoría de cuerdas requieren que el universo tenga 10 u 11 dimensiones - 9 ó 10 de espacio y una temporal, en lugar de las cuatro que experimenta la gente: arriba-abajo, delante-detrás, izquierda-derecha y pasado-futuro.

"Las fuerzas se unifican en 11 dimensiones, pero se dividen cuando pasan a cuatro dimensiones", dice Gordon Kane, físico de la Universidad de Michigan en Ann Arbor.

Para que la teoría de cuerdas pueda decir algo sobre cómo surgen las fuerzas, los físicos tienen que calcular cómo se enrollan, o "compactifican", estas dimensiones adicionales, en las cuatro que nos son familiares.

La teoría de cuerdas también hace aparecer una población de partículas compañeras en la sombra para cada una de las que actualmente se sabe que existen, una idea llamada supersimetría. De hecho, la supersimetría puede ser necesaria para unificar las fuerzas electromagnéticas, fuerte y débil, por lo que es importante incluso si la teoría de cuerdas no es correcta.

Cuando las fuerzas colisionan

Muchos físicos tienen grandes esperanzas en que el LHC encontrará indicios de partículas supersimétricas y dimensiones espaciales adicionales.

"Incluso si no vamos a las otras dimensiones, en cierto sentido las otras dimensiones vendrán a nosotros", dice la físico de Harvard Lisa Randall.

En la década de 1990, cuando trabajaba con Raman Sundrum, ahora en la Universidad de Maryland en College Park, Randall demostró que podría ser posible detectar la desintegración de una partícula portadora de la gravedad que procediese de una dimensión extra. Encontrar tal partícula en el LHC verificaría la existencia de las dimensiones adicionales y sugeriría por qué la gravedad es mucho más débil que las otras tres fuerzas.

"Creo que sería algo bastante sorprendente", comenta Randall. "Pero ésta es una de las cosas que podríamos encontrar, y es una de las que deberíamos buscar".

La mayor parte de los físicos cree que es más probable que el LHC encuentre pruebas de compañeros supersimétricos de las partículas del Modelo Estándar. La apariencia y propiedades de los compañeros establecería algunas útiles restricciones sobre cómo el universo compactifica las 11 dimensiones predichas por la teoría de cuerdas.

Por ejemplo, si la superpartícula más ligera resulta ser el wino, la supercompañera del bosón W, portador de la fuerza débil, sería consistente con una versión de la teoría de cuerdas conocida con el expresivo apelativo de "Teoría M compactificada en un colector 7-D de holonomía G2″.

Tales partículas supersimétricas pueden haberse observado ya, de hecho - no en la Tierra, sino en el espacio. Parte de la materia oscura que se cree que forma más del 80 por ciento de la materia del universo podría estar compuesta de partículas supersimétricas, restos de los primeros momentos del universo. En los últimos años, dos instrumentos espaciales, el Telescopio de Rayos Gamma Fermi y la misión italiana PAMELA, han visto indicios de materia oscura en la Vía Láctea, en forma de rayos gamma y antimateria que podrían haberse producido por la colisión de partículas supersimétricas.

Dado que el LHC y futuros colisionadores pueden, por el momento, llevar a los físicos sólo hasta el momento junto después del Big Bang, la comprensión científica de una teoría unificada finalmente tendrá que llevar de la exploración de la vastedad del universo. Algunos físicos se preguntan si tal estrategia, que depende de encontrar e interpretar las pistas dejadas por la naturaleza, puede producir resultados comparables a los datos experimentales de alta precisión que llevaron al Modelo Estándar durante el siglo XX.

Pero la teoría de cuerdas no es ciencia del siglo XX - de hecho, el teórico de cuerdas Edward Witten la ha descrito como "física del siglo XXI que cayó por accidente en el siglo XX". Ahora que ha llegado el siglo XXI, es hora de que se ponga a prueba la teoría de cuerdas.

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