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Artículo publicado por Troy Rummler el 27 de agosto de 2015 en Symmetry Magazine

Teóricos del Instituto de Estudios Avanzados han propuesto un camino para avanzar en la búsqueda de una forma de poner a prueba la Teoría de Cuerdas.

Dos teóricos han propuesto recientemente una forma de buscar pruebas para una idea famosa por ser imposible de comprobar: la Teoría de Cuerdas. Implica buscar partículas que estaban por el universo hace 14 000 millones de años, cuando nuestro minúsculo universo sufrió un desmesurado crecimiento, para lo que usó 15 000 millones de veces más energía que una colisión en el LHC.

Los científicos no pueden poner el LHC a esas energías, ni siquiera a una que se le acerque. Pero podrían, posiblemente, observar pruebas de estas partículas a través de estudios cosmológicos, con los avances tecnológicos adecuados.

Cuerdas Cósmicas

Cuerdas cósmicas Crédito: Sandbox Studio


Partículas desconocidas

Durante la inflación, el destello de hiperexpansión que tuvo lugar 10-33 segundos tras el Big Bang, las partículas colisionaban a energías astronómicas. Vemos remanentes de esa época en las minúsculas fluctuaciones en la bruma energética dejada, lo que hoy conocemos como fondo cósmico de microondas.

Los científicos podrían ser capaces de encontrar restos de alguna partícula prehistórica que también estuviese por allí durante esa época.

“Si existieron nuevas partículas durante la inflación, pueden imprimir una firma sobre las fluctuaciones primordiales, las cuales pueden verse a través de patrones específicos”, señala el teórico Juan Maldacena del Instituto de Estudios Avanzados (IAS) en Princeton, Nueva Jersey.

Maldacena y su colaborador en el IAS, el teórico Nima Arkani-Hamed, han usado cálculos de teoría cuántica de campos para resolver qué aspecto tendrían estos patrones. La pareja presentó sus hallazgos en una conferencia anual de Teoría de Cuerdas que tuvo lugar este pasado mes de junio en Bangalore, India.

La probable e imposible cuerda

La Teoría de Cuerdas normalmente se resume en su principio básico: las unidades fundamentales de la materia no son partículas. Son cuerdas unidimensionales de energía que vibran.

El propósito de la teoría es establecer un puente en el conflicto matemático entre la mecánica cuántica y la Teoría General de la Relatividad de Einstein. Dentro de un agujero negro, por ejemplo, la mecánica cuántica dictamina que la gravedad es imposible. Cualquier intento de ajustar una teoría para que encaje con la otra provoca que todo el delicado sistema se venga abajo. En lugar de intentar hacer esto, la Teoría de Cuerdas crea un nuevo marco de trabajo matemático en el cual ambas teorías son resultados naturales. A partir de este marco de trabajo surge de forma natural una forma asombrosamente elegante de unificar las fuerzas de la naturaleza, junto con una descripción cualitativa correcta de todas las partículas elementales.

Como sistema matemático, la Teoría de Cuerdas hace un tremendo número de predicciones. ¿Predicciones comprobables? Ninguna, hasta el momento.

Se cree que las cuerdas son los objetos más pequeños del universo, y calcular sus efectos a las escalas relativamente grandes de los experimentos de la física de partículas no es una tarea fácil. Los teóricos de cuerdas predicen que existen nuevas partículas, pero no pueden calcular sus masas.

Para aumentar el problema, la Teoría de Cuerdas puede describir una variedad de universos que se diferencian por un número de fuerzas, partículas o dimensiones, Las predicciones a energías accesibles dependen de estos desconocidos, o complejísimos, detalles. Ningún experimento puede demostrar definitivamente una teoría que ofrece tantas versiones alternativas de la realidad.

Poniendo a prueba la Teoría de Cuerdas

Pero los científicos están desarrollando formas en que los experimentos puedan, al menos, empezar a poner a prueba partes de la Teoría de Cuerdas. Una predicción que hace la Teoría de Cuerdas es la existencia de partículas con una propiedad única: un espín mayor que dos.

El espín es una propiedad de las partículas fundamentales. Las partículas que no tienen espín, se desintegran en patrones simétricos. Las que tienen espín, se desintegran en patrones asimétricos, y cuanto mayor es el espín, más complejos son esos patrones. Los patrones de desintegración extremadamente complejos procedentes de las colisiones entre estas partículas habrían dejado su firma en el universo al expandirse y enfriarse.

Los científicos podrían encontrar los patrones de partículas con espín mayor que 2 en sutiles variaciones en la distribución de las galaxias, o en el fondo cósmico de microondas, de acuerdo con Maldacena y Arkani-Hamed. Los cosmólogos que se dedican a la observación tendrían que medir las fluctuaciones primordiales a lo largo de un amplio rango de escalas de longitud para ser capaces de ver estas pequeñas desviaciones.

Los teóricos del IAS calcularon cuáles serían, teóricamente, esas medidas de existir estas masivas partículas de espín alto. Tales partículas serían mucho más masivas que cualquier otra que puedan encontrar los científicos en el LHC.

Una propuesta desafiante

Los cosmólogos ya están estudiando patrones en el fondo cósmico de microondas. Experimentos como Planck, BICEP y POLAR BEAR están buscando polarización, que sería una prueba de que una fuerza no aleatoria actuó sobre ella. Si dan marcha atrás a los efectos del tiempo, y deshacen matemáticamente todas las otras fuerzas que han interactuado con esta energía, esperan que el patrón que quede encaje con las curvas predichas generadas por la inflación.

Los patrones propuestos por Maldacena y Arkani-Hamed son mucho más sutiles y más susceptibles a interferencia. Por lo tanto, cualquier esperanza de encontrar experimentalmente tales señales está a un gran camino de distancia.

Pero esta investigación podría indicarnos el camino para encontrar algún día tales firmas, e iluminar nuestra comprensión de las partículas que, tal vez, hayan dejado su huella en todo el universo.

El valor de las cuerdas

Aunque está por ver si alguien podrá, o no, demostrar que el mundo está hecho de cuerdas, lo que sí se ha demostrado es que las matemáticas de la Teoría de Cuerdas pueden aplicarse a otros campos.

En 2009, los investigadores descubrieron que las matemáticas de la Teoría de Cuerdas podían aplicarse a problemas convencionales de la física de materia condensada. Desde entonces, los investigadores han estado aplicando la Teoría de Cuerdas al estudio de los superconductores.

El compañero en el IAS, el teórico Edward Witten que recibió la Medalla Fields en 1990 por sus contribuciones matemáticas a la teoría cuántica de campos y la supersimetría, dice que la presentación de Maldacena y Arkani-Hamed estuvo entre los trabajos más innovadores que vio en la conferencian Strings ‘15.

Witten y otros creen que dicho éxito en otros campos indica que la Teoría de Cuerdas realmente subyace bajo el resto de teorías a un nivel más profundo.

“La física, como la historia, no se repite con precisión”, dice Witten. No obstante, con estructuras similares que aparecen a escalas de longitud y energía distintas, “encaja mejor”.