Teoría de cuerdas: viva y coleando

El dominio del espacio aéreo fue uno de los factores clave que acabarían decantado la victoria del lado de los Aliados en la II Guerra Mundial. Nunca en ningún conflicto humano tantos debieron tanto a tan pocos, dijo Winston Churchill para alabar la labor de la Real Fuerza Aérea británica en la Batalla de Gran Bretaña, la defensa de la isla ante la amenaza real de una invasión tras la casi total ocupación del continente por la Wehrmacht. Otro factor determinante para poner punto y final a la guerra, en el Frente del Pacífico, fue la decisión de Truman de arrojar sendas bombas atómicas sobre Hiroshima y Nagasaki. La participación de la comunidad científica en el esfuerzo de guerra, y en especial de los físicos en el Proyecto Manhattan que diseñaría esas bombas, es aún objeto de controversia incluso en nuestros días.

Hace unos diez años, los físicos estaban, de nuevo, en estado de guerra. Esta vez la guerra era, afortunadamente, dialéctica y, en principio, tan solo de carácter científico. La teoría de cuerdas llevaba ya más de treinta años en el candelero. Ninguna de sus predicciones se había comprobado experimentalmente y, según argumentaban los críticos, quizá nunca lo serían. La teoría de cuerdas parecía carecer de refutabilidad y, por tanto, ni siquiera debería ser calificada de teoría científica; sería todo lo contrario: una pseudociencia o, en el mejor de los casos, un pasatiempo matemático. Una célebre frase de Wolfgang Pauli, en la que desdeñaba cierta teoría refiriéndose a ella como “ni siquiera incorrecta”, se rescató para calificar así a la teoría de cuerdas. Un blog  critico surgió con ese nombre. Libros con títulos como El problema de la física se publicaron ilustrando la inutilidad de la teoría.

La guerra, como señalábamos arriba era en principio solo de carácter científico. No obstante, trascendía algo más: una batalla de influencia por el control de fondos públicos destinados a investigación. ¿Deberían las agencias de financiación de la ciencia matar la teoría de cuerdas mediante una expeditiva estrangulación presupuestaria? Por aquel entonces yo andaba, recién doctorado, de postdoc en el Imperial College de Londres, una de las plazas fuertes de la teoría de cuerdas. Recuerdo a Mike Duff, eminente cuerdista en Imperial, lamentarse amargamente de que eso podría ya por aquel entonces estar empezando a pasar. Según argumentaba Duff, la sobredifusión mediática que los críticos estaban recibiendo podría haber sido la causa del anuncio del EPSRC (una de las agencias británicas de financiación de investigación) de recortes en su programa de física matemática. Estamos hablando de recortes antes de los famosos recortes de ahora.

 

Michael Duff. Uno de ellos es físico teórico. ¿Cuál?

Aquellos episodios se han venido a conocer en el mundillo físico-teórico como las Guerras de las Cuerdas (String Wars). Aunque las hostilidades no han cesado del todo, con blogs defendiendo una  u otra postura intercambiando fuego de vez en cuando, sí es cierto que, en general, se ha rebajado el tono. Estamos, acaso, ante una guerra de salón, una phoney war. Y ello es sin duda debido a que, a pesar de todo lo escrito contra ella, la teoría de cuerdas sigue gozando de envidiable salud.

Estos días anteriores, sin embargo, hemos presenciado un remake en español de aquella Guerra de las cuerdas, que nos ha cogido con el pie cambiado. Arturo Quirantes, autor del blog El profe de física, ha lanzado una diatriba desde Cuaderno de cultura científica que nos informa del “ocaso de la teoría de cuerdas”. Los que trabajamos en esta teoría hemos llegado ahora a comprender la mayúscula sorpresa de Mark Twain al leer su obituario y conocer así, por la prensa, la noticia de su propia muerte. Afortunadamente podemos salir al paso, como Twain, de semejante contrariedad: todo apunta a que las noticias que Quirantes trae sobre la muerte de la teoría de cuerdas “son desmesuradamente exageradas”.

Los comentarios de Quirantes ya han recibido la certera respuesta de Enrique Fernández Borja en Cuentos Cuánticos. Aquí, en LA FÍSICA DEL GREL, hemos iniciado una serie de posts (aquí y aquí en especial, aunque también aquí) sobre unificación, que nos conducirán a describir más detalladamente la teoría de cuerdas. Entraremos en materia en sucesivos posts. Mientras tanto, movidos por el afán de ofrecer al público una visión alternativa sin catastrofismos, y sin el menor ánimo de reeditar en español una futil Guerra de las Cuerdas, sí creemos pertinente contestar someramente desde nuestro blog a las críticas.

Tanto es que pretendemos evitar toda confrontación que comenzamos con lo que a nadie en los debates tan de moda en prime time televisivo se le pasaría por la cabeza: una sincera autocrítica. Tampoco es ningún mérito, dicho sea de paso, empezar así para el que esto escribe. Salvo por pequeñajos que, ay, nos dan la tabarra nocturna, mi generación duerme muy bien por las noches sabiéndose libre del pecado que pasamos a confesar.

Según me cuentan mis mayores, pues mis intereses científicos en aquella época se limitaban a los prescritos para la EGB y el BUP por las autoridades educativas competentes, durante los años ochenta y noventa, la época en la que se cimentaron los pilares de la teoría de cuerdas, hubo una desmesurada sobrevaloración de objetivos. Imperaba una sensación de euforia y se pensaba que la teoría de cuerdas sería capaz de reproducir la física de altas energías conocida, así como de describir cuánticamente la gravitación en unos pocos años. No en vano, había quien se refería a las cuerdas como la “Teoría del Todo”, mediático amén de pretencioso nombre que seguramente llenaba a la realeza del ramo, como a la otra, de gran orgullo y satisfacción. Hoy, sin embargo, me atrevería a decir que incluso los más acérrimos defensores de la teoría de cuerdas reconocen que todo aquello fue una gran sobreactuación. Podríamos incluso decir que aquel fenómeno pudo ser el equivalente científico de una burbuja financiera. Muchas de las críticas a la teoría de cuerdas, incluidas la mayoría de las de Quirantes en su post, realmente no pasan de ser una reacción superficial a esa sobrexposición.

Burbujas científicas las ha habido con anterioridad en ciencia en general y en física, la rama que nos ocupa, en particular. Mencionaré dos que son, de hecho, similares a la burbuja de los ochenta y noventa en teoría de cuerdas. A finales del siglo XIX, con la teoría de Newton de la gravitación completamente desarrollada y con las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo recién escritas, se dieron las condiciones para la formación de una gran burbuja. Cuajó la idea de que en Física estaba ya todo hecho. El único trabajo que quedaba por hacer era añadir decimales a las mediciones de constantes y cantidades físicas, medirlas con más precisión. ¿Que la órbita de Mercurio no terminaba de cuadrar con la ley gravitatoria de Newton del inverso del cuadrado? Menudencias. ¿Que las leyes en boga daban resultados absurdos, a alta energía, para la radiación de cuerpo negro? Ya se arreglaría el asunto sin mayores sobresaltos. La burbuja decimonónica estalló por todo lo alto cuando, ni bien entrado el siglo XX, la Relatividad General y la Teoría Cuántica pusieron la física patas arriba. Hasta nuestros días.

Con cuerdas también se pueden hacer burbujas muy grandes.

A mediados del siglo XX se desarrolló otra burbuja. La teoría cuántica y la relatividad especial de principios de siglo se habían desarrollado enormemente, y su combinación había dado lugar a la llamada teoría cuántica de campos. Se sabía que la teoría de Maxwell del electromagnetismo, aun siendo clásica, se amoldaba a la relatividad especial. La teoría cuántica de campos era, pues, la herramienta perfecta para estudiar la cuantización del electromagnetismo. Y efectivamente, la teoría cuántica resultante, llamada Electrodinámica Cuántica, proporcionaba resultados espectaculares, con fastuoso acuerdo de hasta muchas cifras decimales entre cantidades calculadas mediante la teoría y medidas experimentalmente. El trabajo de físicos como Richard Feynman fue determinante para ello. Feynman introdujo sus famosos diagramas, el método que permitió realizar tales cálculos. Así pues, pronto se extendió la delirante idea de que todo en teoría cuántica de campos se reducía al cálculo de diagramas de Feynman y, salvo cálculos más o menos engorrosos, estaba ya todo hecho. Sin embargo, cuando se hicieron patentes los fenómenos no-perturbativos en teoría de campos, imposibles de abordar por esos métodos, la burbuja inevitablemente estalló. Por ejemplo, a acoplamiento fuerte, tiene poco sentido calcular procesos entre quarks y gluones (de las que ya hemos hablado aquí) mediante diagramas de Feynman.

Es indudable que estas burbujas, tanto en ciencia como en economía, son producto de la naturaleza humana. Ahora bien, si las burbujas financieras tienen las devastadoras consecuencias que lamentablemente conocemos y padecemos, en ciencia siempre parecen dejar algo positivo. Por un lado, el conocimiento acumulado durante la burbuja no tiene por qué ser incorrecto. La teoría de Newton y la teoría de Maxwell no son incorrectas. Lo que sucede es que se ven englobadas, como límites, en teorías más precisas. Los diagramas de Feynman no son incorrectos, tan solo tienen sus límites de aplicabilidad. Por otro lado, el estallido de las burbujas suele dejar un terreno fértil para la exploración: la física de agujeros negros, de ondas gravitacionales o la cromodinámica cuántica serían imposibles sin desarrollos anteriores.

Es generalizado el convencimiento de que todo esto aplica, también, a la teoría de cuerdas. Nadie que se dedique a investigación en cuerdas hoy en día piensa seriamente en la teoría de cuerdas como una “Teoría del Todo”, a pesar de que los críticos insistan en abundar en el tópico. Esto no quita para que el desarrollo formal de la teoría invoque, como hacemos desde este blog, ideas de unificación que tan provechosas se han demostrado en física. Dada la experiencia con situaciones como las descritas arriba, no creo que nadie en el campo esté muy preocupado con que la teoría de cuerdas, ahora, después de la burbuja, pueda ser incorrecta. Ni qué decir tiene que, los que nos dedicamos a ella, pensamos que es correcta, a pesar de todas las dificultades experimentales que entraña dilucidar tal cuestión. En el peor de los casos, pensamos, la teoría se amoldará a otra “más correcta”, como en situaciones anteriores.

Quirantes traza un paralelismo entre la teoría de cuerdas y los epiciclos ptolemaicos que induce a error. Como describe Steven Weinberg en su reciente libro Explicar el mundo, la adición de más y más epiciclos a la teoría geocéntrica es un problema de fine tuning. Algo anda mal en una teoría cuando se le han de añadir ornamentaciones más y más barrocas para hacerla cuadrar, en frágil equilibrio, con los datos experimentales. El caso de la cada vez mayor complicación en teoría de cuerdas, desde su humilde suposición fundacional de que los constituyentes básicos de la materia son objetos unidimensionales en vez de partículas, hasta la sofisticada teoría que conocemos hoy, es bien distinto. La complicación, por ejemplo, de tener cinco teorías de cuerdas no busca realizar, como los epiciclos, ajustes artificiales. Por contra, se trata del mismo efecto que el descrito arriba en relación con la teoría cuántica de campos: cada vez conocemos mejor la teoría y sus sectores perturbativos (donde podemos usar métodos como los de Feynmann) y no-perturbativos. Que a uno le parezcan extraños nombres como “cuerda tipo I” o “cuerda heterótica” queda a gusto de cada cual. A mi modo de ver, tan colorida nomenclatura es digna sucesora de otras como “quark top” (del que, por cierto, hemos hablado aquí).

Aspectos como supersimetría, de la que hablaremos en el blog, son deseables en teoría de  cuerdas. Que supersimetría no se haya detectado en el CERN no supone el menor problema para la teoría: este efecto no tiene por qué notarse a las escalas de energía exploradas por el acelerador LHC. La única crítica seria hecha por Quirantes se refiere al llamado problema del landscape, del que también hablaremos. Aquí, efectivamente, mete el dedo en la llaga pues nadie excepto los entusiastas del multiverso saben muy bien cómo proceder. El convencimiento general es que el asunto acabará arreglándose sin necesariamente refutar la teoría de cuerdas, como en los casos que mencionábamos arriba.

Partículas elementales y sus compañeras supersimétrícas (izquierda). Representación del multiverso (derecha).

Ya hemos dicho en LA FÍSICA DEL GREL que el Modelo Estándar y la Relatividad General son las construcciones científicas, verificadas experimentalmente, más sofisticadas y precisas que el ser humano ha logrado hasta ahora (más detalles aquí). La teoría de cuerdas ha de englobar a las dos y, desde luego, las supera en elegancia y sofisticación. Se ha dicho que la teoría de cuerdas es ciencia del siglo XXI con la que los físicos se toparon en el XX. En este sentido, la teoría de cuerdas es como el museo Guggenheim de Bilbao: un soberbio edificio del siglo XXI levantado, realmente, en el XX. A uno le puede causar cierto desasosiego las líneas futuristas del edificio, y en un arrebato clasicista podría secretamente desear que se pareciera más, por ejemplo, al renacentista palacio de Carlos V en Granada. Sea lo que sea la teoría de cuerdas, es sin duda un bello edificio en construcción que solo en el futuro podemos aspirar a admirar en su totalidad. En ningún caso se trata del edificio ruinoso que a Quirantes se le antoja.

Como científicos del siglo XXI, nos corresponde desarrollar, entender y extraer consecuencias de la teoría de cuerdas. Ya hemos contado aquí cómo la teoría de cuerdas fue crucial para obtener una descripción microscópica de la entropía de agujeros negros. Como contaremos en sucesivos posts, las contribuciones de la teoría a aspectos en teoría cuántica de campos e incluso en terrenos tan alejados como matemática pura o física de la materia condensada son espectaculares.

A tenor del sobredimensionado eco mediático que acompañó a los críticos durante las Guerras de las cuerdas, podríamos decir que nunca en ningún conflicto científico tan pocos causaron tanto perjuicio a tantos. Aún desconocemos si la teoría de cuerdas tendrá la última palabra en una descripción más profunda de la naturaleza, o si algún bombazo científico al estilo de los atómicos de Hiroshima o Nagasaki convulsionará la física, en el contexto de la teoría de cuerdas o, no lo creo, fuera de ella. En todo caso, el "espacio aéreo" de la física teórica de alta energía sigue dominado, por méritos propios, por la teoría de cuerdas. Tenemos por delante pues el excitante cometido de explorar las consecuencias de una teoría que, ahora más que nunca, está viva y coleando.

Texto de Oscar Varela.

Radiación Hawking y agujeros negros acústicos

Este mes de enero de 2017 la revista Muy Interesante, de la cual he sido fan desde pequeñito, ha publicado un artículo "muy interesante" sobre agujeros negros y la posibilidad de estudiarlos en laboratorio. La autora del artículo, Laura Chaparro, me pidió que opinara sobre el tema y ahora que su artículo ya está publicado, creo que es buen momento para extenderme en este blog con algunos detalles adicionales. Por supuesto, aquí sólo daré mi opinión. Para ver qué opinan otros expertos os recomiendo que leáis el artículo de Laura.

El interés en este tema surge de un artículo publicado por la revista Nature el pasado mes de agosto de 2016 (aquí una versión gratuita). En ese artículo, Jeff Steinhauer, físico experimental en el Instituto Tecnológico de Israel (Technion), describía un experimento suyo que podría representar la primera detección directa de una radiación análoga a la que hace ya  más de 40 años Stephen W. Hawking predijo que deberían emitir los agujeros negros. Intentaré explicar de manera resumida lo que se cuenta en aquel artículo.

Stephen Hawking y Jeff Steinhauer

Al contrario que otros físicos, los que trabajamos en gravitación estamos muy limitados a la hora de hacer experimentos. Cuando hablamos de entender o verificar propiedades cuánticas, muy sutiles, de objetos como los agujeros negros, la situación se complica aún más. Es por ello que cualquier simplificación o sistema más manejable que tenga comportamientos similares será de gran ayuda. Ahí es donde radica la importancia de encontrar situaciones reproducibles en laboratorio que permitan verificar si algunas de las predicciones fundamentales de nuestras teorías son reales o no. 

¿Qué descubrió Hawking? Hawking se planteó qué le ocurriría a un agujero negro si en el universo hubiera partículas con propiedades cuánticas (como los electrones y protones de los que estamos hechos, que son partículas cuánticas). Si las partículas NO fueran cuánticas, un agujero negro podría vivir eternamente. Su única diversión sería tragar cualquier cosa que pasara cerca de su horizonte de sucesos. Este horizonte es una superficie imaginaria que marca la separación entre "dentro y fuera". Una vez se cruza el horizonte ya no es posible salir.  Sorprendentemente, al considerar efectos cuánticos, el agujero negro comienza a emitir partículas cuánticas como si fuera un horno a cierta temperatura. Esta emisión implica que el agujero negro pierde energía y, por tanto, pierde masa. Aunque la pérdida de energía es minúscula, esperando suficiente tiempo, un agujero negro aislado debería evaporarse por completo, lo cual genera una serie de problemas conceptuales muy serios (pérdida de información cuántica) que aún están por resolver. 

Como hoy por hoy no es posible (ni aconsejable) ponerse a hacer experimentos cerca de un agujero negro, lo esencial para verificar si la radiación cuántica predicha por Hawking es real (o plausible) es tratar de encontrar situaciones en las que surjan "horizontes" en escenarios con propiedades cuánticas. Ahí es donde entran en juego los llamados "horizontes acústicos". En lugar de fabricar agujeros negros con todas sus complicaciones, es más factible generar horizontes y estudiar sus propiedades.

Si nada puede escapar de un agujero negro, todo debe salir de un agujero blanco. La región plana de esta imagen muestra un análogo de agujero blanco. El anillo a partir del cual aparecen ondas sería el horizonte de sucesos del agujero blanco.

El horizonte de sucesos de un agujero negro tiene un efecto similar al del agua de un río cerca de una catarata. Como la velocidad del agua aumenta al acercarnos a la catarata, si no nadamos a contracorriente lo suficientemente rápido, el agua nos arrastrará. El lugar donde la velocidad del nadador es igual a la "velocidad de arrastre" marca lo que sería el horizonte. Si en lugar de un nadador en un río consideramos la propagación de ondas acústicas (sonido)  en un fluido en movimiento, entonces hablamos de un horizonte acústico: habrá un lugar a partir del cual el sonido es arrastrado por el flujo, sin posibilidad de escapar contracorriente. Ningún ruido producido en esta región interna podrá ser percibido por encima del horizonte acústico.

Jeff Steinhauer lleva años tratando de demostrar experimentalmente que los horizontes acústicos producidos en fluidos cuánticos en movimiento emiten radiación similar o análoga a la que Hawking predijo para los agujeros negros astrofísicos. Los cálculos de Hawking demuestran que la intensa gravedad de un agujero negro puede crear pares de partículas a partir del vacío cuántico. Uno de los miembros del par surge en la parte externa del horizonte y consigue escapar, mientras que el otro elemento del par cae hacia el interior. La energía necesaria para crear el par de partículas la proporciona el agujero negro, y como uno de los miembros escapa, el agujero negro pierde masa (que es una forma de energía). Esto implica que los agujeros negros se evaporan.

Las partículas que componen cada par están correlacionadas, es decir, tienen propiedades complementarias: si la partícula que sale tiene carga positiva y gira sobre sí misma en el sentido de las agujas del reloj, entonces la que cae al agujero negro debe tener  carga negativa y girar en el sentido opuesto. Este ejemplo ilustra que lo que cae y lo que sale no son independientes, sino que están ligados (o correlacionados).

En el caso de los agujeros negros astrofísicos, sólo sería posible medir el flujo de partículas que salen despedidas desde el horizonte hacia el exterior, pues una vez cruzado el horizonte no habría posibilidad de salir de él. Si alguien intentase medir lo que hay en el interior, no sobreviviría para contarlo ni podría transmitir esa información a nadie en el exterior. Sin embargo, en los horizontes de laboratorio (acústicos en nuestro caso) no existe ese problema, por lo que pueden plantearse otro tipo de medidas que involucren tanto a la radiación que sale del horizonte como a la que cae dentro de él. Steinhauer ha aprovechado esta vía para “alcanzar” su objetivo.

Horizonte acústico y su correspondencia con un agujero negro.

¿Cómo fabricamos un horizonte acústico? Esto se puede visualizar pensando en una tubería por la que fluye un cierto líquido o gas y cuyo grosor se estrecha a partir de un cierto punto. Al estrecharse el tubo, la velocidad del fluido aumenta. Si ese aumento es tal que el fluido se mueve más rápido que el sonido, entonces hemos formado un horizonte acústico. Si esto ya parece difícil de por sí, ¡imaginaos si hay que hacerlo con un fluido cuántico!

En lugar de un fluido cualquiera, Steinhauer ha utilizado un condensado de Bose-Einstein (BEC, por sus siglas en inglés). El BEC es un estado de la materia que surge cuando un líquido o gas muy diluido se enfría a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273.1 ºC). En esas condiciones, el sistema manifiesta propiedades cuánticas sin necesidad de tener un tamaño microscópico. 

Haciendo barridos con un láser a través del BEC es posible generar un horizonte acústico. Al tratarse de un fluido cuántico, por mecanismos similares a los que descubrió Hawking, se crean pares de partículas correlacionadas a ambos lados del horizonte.  En el caso del BEC, las “partículas” (o excitaciones elementales del medio) generadas por el horizonte se llaman fonones, y representan a las “ondas acústicas” elementales (o sonido) que se propagan por el condensado [aquí es útil notar que si las ondas electromagnéticas (luz) tienen asociada una partícula cuántica llamada fotón, las ondas acústicas pueden verse como hechas de fonones]. Esas ondas acústicas generan pequeñas fluctuaciones en la densidad del condensado a ambos lados del horizonte. Midiendo esas pequeñas fluctuaciones y estudiando las correlaciones que existen entre ellas (a ambos lados del horizonte), Steinhauer ha encontrado indicios compatibles con lo que se esperaría si el horizonte acústico generase radiación Hawking.

Correlaciones medidas por Steinhauer (izquierda) comparadas con la predicción teórica (derecha).

Hay que tener en cuenta que los fonones de radiación Hawking en el BEC se podrían mezclar/combinar con muchas otras fuentes de ruido (ondas acústicas) presentes en el BEC. Medir estas cosas y extraer de ahí la señal que corresponde a la radiación Hawking no es nada fácil. Por esta razón es tan importante estudiar las correlaciones entre los dos lados del horizonte, porque los pares de partículas de la radiación Hawking tienen unas correlaciones muy características. Steinhauer ha medido un patrón de correlaciones compatible con lo que se esperaría en un condensado de este tipo si hubiera radiación Hawking. Tratar de medir sólo la radiación saliente es, hoy por hoy, imposible. Es por ello que hay que recurrir al estudio de las correlaciones a ambos lados del horizonte.

Aunque la interpretación de los datos experimentales ha sido criticada duramente por otros expertos en el tema, lo importante es que el estudio de las propiedades cuánticas de horizontes ya no es una cuestión puramente matemática. El salto al laboratorio ha sido posible gracias al ingenio de algunos físicos teóricos y a la habilidad de otros tantos físicos experimentales. El procedimiento a seguir en laboratorio está bien definido desde hace ya varios años y, a mi entender, Steinhauer ha conseguido verificar la existencia de radiación Hawking. Por supuesto, es necesario repetir los experimentos para verificar las observaciones y mejorarlos para confirmar con mayor precisión las predicciones teóricas. Lo que aprendamos en el camino nos ayudará a entender mejor la naturaleza y nos hará vivir momentos muy emocionantes.

Texto de Gonzalo Olmo (@gonzalo_olmo).

Premios Breakthrough 2017

Imagen 1: Strominger, Polchinski y Vafa (izq a der).

A principio de mes se dieron a conocer los galardonados de los Premios Breakthrough 2017. En la categoría de Física Fundamental, los afortunados son tres de los más importantes físicos teóricos especialistas en teoría de cuerdas: Joe Polchinski, Andy Strominger y Cumrun Vafa (Imagen 1). Polchinski trabaja en el Kavli Institute for Theoretical Physics en Santa Bárbara (California), y Strominger y Vafa en el Center for the Fundamental Laws of Nature de la Universidad de Harvard. ¡Enhorabuena a los premiados!

Los Premios Breakthrough fueron instituidos por Yuri Milner hace cuatro años, un emprendedor millonario de origen ruso afincado en la Bahía de San Francisco y físico de formación. Completamente desconocido en el mundillo de la física teórica hasta 2012, su nombre saltó del completo anonimato a celebrity físico-teórica en verano de ese año cuando, con la comunidad científica desprevenida, se dieron a conocer unos nuevos galardones dotados de tres millones de dólares, tres, cada uno. Esta cuantía se anunció junto con los premiados de ese año, todos ellos reconocidos físicos teóricos asociados en mayor o menor medida con la teoría de cuerdas. De un plumazo, se premió a la plana mayor “cuerdera” del Instituto de Estudios Avanzados (IAS) de Princeton (Nima Arkani-Hamed, Juan Maldacena, Nathan Seiberg y Edward Witten), además de a los también famosos en esta área Alan Guth (MIT), Alexei Kitaev (por entonces de Caltech, ahora de Santa Bárbara), Maxim Kontsevich (IHES), Andrei Linde (Stanford) y Ashoke Sen (Harish-Chandra). Un plantel para quitarse el sombrero.

Estos nuevos premios no dejaron a nadie indiferente. El asunto causó mucho revuelo y dotó, afortunadamente, de considerable vidilla a los, casi únicos por otro lado, eventos sociales que frecuentamos los físicos: la hora de la comida, el cafelito posterior y las cenas de seminarios, workshops y congresos. Las opiniones variaban de un extremo a otro. Unos sostenían que aquello era un escándalo, una intromisión en la noble tarea investigadora que ha de salvaguardarse de semejantes sobornos. Añadían estos que, si de dar dinero a fondo perdido se trataba, mejor usar tan ingentes cantidades en crear un enorme número de becas de doctorado y post-doctorado en física teórica. Otros, sin embargo, eran de la opinión de que aquello estaba muy bien: la teoría de cuerdas llevaba siendo estudiada desde los años setenta y ya era hora de que se reconociera mediante la institución de un galardón, sólidamente respaldado a golpe de talonario.

Otras peculiaridades del premio alimentaban aún más la polémica. Por ejemplo, la gala de concesión de los premios, televisada en EEUU por Discovery Channel aquel año, se concibió con un formato al estilo de Hollywood, intencionadamente diseñado para levantar comparaciones con la ceremonia de los Oscars. Por ejemplo, este año como en alguna otra edición previa, la gala fue presentada por Morgan Freeman: un aire californiano diametralmente alejado de la vetusta pompa y circunstancia escandinava que tanto gusta en los ambientes académicos. Una crítica más seria a estos premios venía del hecho de que no quedaba muy claro cuáles eran las bases o el patrón de concesión.

En mi modesta opinión, creo que, con todos sus posibles defectos, estos premios son algo positivo. Creo que Milner lo hace por una vocación filantrópica, muy enraizada en la cultura empresarial estadounidense y, en especial, de Silicon Valley (véase el caso de Bill Gates), en gratitud por su formación en física. No creo que la integridad de investigadores e investigaciones se vea comprometida. También creo que era necesario un galardón que premie investigación puntera en las áreas más especulativas de la física teórica. En particular, este premio viene a llenar el hueco que el Nobel, con su (también razonable, por otro lado) requisito sobre validación experimental de la investigación premiada, no es capaz de llenar. Recuerdo una discusión el año pasado, durante una cena de seminario en Henrietta’s Table, el restaurante que suele acoger la cena de seminario de física teórica de Harvard, sobre una interesante idea. Entre los presentes, se encontraban galardonados ya entonces con el Breakthrough, y otros que lo serían posteriormente. Se habló de que sería buena idea trocear el premio y concederlo a jóvenes promesas. En realidad, el premio New Horizons de la misma organización es una especie de Breakthrough junior que va en esa línea. También se ha rumoreado que Ashoke Sen decidió donar el premio para becas de formación, pero no tengo constancia directa de ello. Es un gesto que honraría a Sen o cualquiera de los premiados desde 2012 que decidiera dar ese destino al premio. Soy también de la opinión que los premiados no se deben ver en la obligación moral de dar esa salida al premio: con la excepción de los portavoces mencionados más abajo, es su premio, bien merecido por lo que me consta, y están en perfecto derecho de darle un uso personal a ese dinero.

En todo caso, el premio se ha venido otorgando anualmente desde 2012. Desde 2013, cuando Milner se asoció con los indudablemente más mediáticos Sergey Brin de Google y Mark Zuckerberg de Facebook, se ha venido concediendo también en las categorías de Biología y Matemáticas. Es cierto que, en ocasiones, se ha hecho de manera algo curiosa. Por ejemplo, en 2013 se concedió bien merecidamente al cuerdero Alexander Polyakov, también de Princeton (de la Universidad, no confundir con el IAS mencionado arriba). Hasta ahí todo bien. Pero en 2013 también se concedió un premio especial a los científicos portavoces de las colaboraciones experimentales de CERN que descubrieron el bosón de Higgs ese año. Parece que les entró prisa por premiarlos, porque en vez de dar un premio especial los podrían haber premiado en la edición siguiente. Ni qué decir tiene que también fue peculiar, y no estuvo exento de polémica, premiar a los portavoces de turno de las colaboraciones, pues son cargos político-administrativos temporales. En 2013 Stephen Hawking fue también galardonado (por radiación de agujeros negros, entre otras cosas, de la que hemos hablado aquí), muy meritoriamente, aunque de manera especial, en vez de ordinaria.

El año pasado sucedió algo similar. Se premió de forma ordinaria a ciertos físicos teóricos (de neutrinos en vez de cuerdas, supongo que para variar), pero cuando estaba ya todo el pescado vendido en lo que se refiere a la determinación de los agraciados, se anunció el bombazo científico del año: el descubrimiento de ondas gravitacionales. Y entonces, como si nada, se creó un premio especial para los teóricos del asunto: Ronald Drever, Kip Thorne y Rainer Weiss. La comparación con el premio especial de 2013 deja, por cierto, algunos interrogantes. ¿Se premiará también, de forma especial u ordinaria, a los teóricos del Higgs todavía vivos (Englert, Hagen, Higgs)? ¿Se premiará a representantes del experimento LIGO, que detectó las ondas gravitacionales? 

Y así llegamos al último premio Breakthrough de Física Fundamental, anunciado a principios de diciembre, para Polchinski, Strominger y Vafa. Estaba cantado que más pronto que tarde lo recibirían, ya que sus nombres eran sonadas omisiones en la lista de insignes teóricos de cuerdas galardonados hasta la fecha. Como en los casos anteriores, y a mi modo de ver, esta es una concesión muy merecida. Los tres son destacados físicos que han realizado contribuciones sobresalientes a la teoría de cuerdas, a la teoría de agujeros negros y, en general, a la física teórica. Es más, Polchinski, Strominger y Vafa son algunos de los que fundamentaron en su día los mismísimos principios de la teoría de cuerdas. Y lo quizá más notable: ninguno de los tres se ha dedicado a vivir de rentas desde aquellas contribuciones fundacionales. A lo largo de todos estos años, se han mantenido tremendamente activos produciendo investigación puntera que ha seguido marcando la pauta a nivel mundial hasta día de hoy. Strominger, por ejemplo, sacó un artículo hace unas pocas semanas con Stephen Hawking y Malcolm Perry, continuación de otro previo, donde se hacen progresos acerca de uno de los grandes enigmas de física de agujeros negros: la paradoja de la información. No me puedo resistir aquí a señalar humildemente que, a fecha de este post, el último artículo de Strominger tiene a un servidor como coautor. Es para mí un gran honor.

Imagen 2: Jefferson Laboratoy. Departamento Física Teórica Harvard.

Ya hemos hablado en este blog de una de las contribuciones recientes de Polchinski a la física de agujeros negros: los firewalls, o muros de fuego. Hablemos pues, brevemente, de una de las más célebres contribuciones de Strominger y Vafa: su cálculo conjunto de la entropía de agujeros negros usando teoría de cuerdas.

Desde el trabajo teórico de Bekenstein y Hawking en los setenta, sabemos que los agujeros negros se comportan como sistemas termodinámicos: tienen temperatura y variables como energía y entropía sujetas a las leyes de la termodinámica, las famosas primera y segunda leyes. La entropía, por ejemplo, proporciona una medida del desorden del sistema en cuestión. Bekenstein y Hawking establecieron que los agujeros negros tienen entropía, y dieron una expresión para esa entropía basada en criterios termodinámicos.

Los fenómenos termodinámicos son macroscópicos, es decir, debidos a la aglomeración de muchas partículas, o componentes elementales. No tiene sentido pues hablar de transmisión de calor entre partículas elementales a nivel individual. Ese y otros fenómenos solo surgen debido a la acumulación de grandes cantidades de material. Uno puede usar la termodinámica para describir, aprovechar y explotar, por ejemplo, procesos industriales desde la más completa ignorancia de lo que hacen las partículas elementales a nivel individual: solo importa el comportamiento colectivo. Ahora bien, desde el punto de vista científico, es muy importante tener una teoría fundamental que explique microscópicamente el comportamiento macroscópico. Es decir, es importante tener una descripción básica y fundamental de la dinámica de los componentes elementales, tal que permita obtener mediante métodos estadísticos los comportamientos termodinámicos observados a escalas macroscópicas. A tal descripción microscópica se la suele llamar “de primeros principios”.

Uno de los mayores logros de la física del siglo XIX fue obtener una descripción microscópica, de primeros principios, de muchos fenómenos termodinámicos. Eso conseguía, por ejemplo, la teoría cinética de gases. Así pues, en el momento en que Bekenstein y Hawking determinaron que los agujeros negros son sistemas termodinámicos, pusieron a estos sistemas en la misma tesitura que a los gases en el siglo XIX: se hacía necesario encontrar el equivalente a la teoría cinética, es decir, una descripción de primeros principios de la física de agujeros negros. ¿Cuál sería, pues, la teoría que describiera microscópicamente la entropía de los agujeros negros?

Como ya hemos comentado en este blog, los agujeros negros son, también, sistemas cuánticos. Por ese motivo, la teoría microscópica llamada a reproducir sus propiedades termodinámicas ha de ser, necesariamente, la teoría cuántica de la gravedad. Ahora bien, uno de los grandes retos de la física teórica es, precisamente, establecer cuál es la teoría que rige el régimen cuántico de la gravedad. La teoría de cuerdas es una firme candidata a ser justamente esa teoría. En 1996, Strominger y Vafa emplearon la teoría de cuerdas para realizar un cálculo microscópico de la entropía de ciertos agujeros negros (ver aquí), ¡obteniendo exactamente el mismo resultado que Bekenstein y Hawking! Así pues, Strominger y Vafa reprodujeron por primeros principios, con teoría de cuerdas, la entropía termodinámica del tipo concreto de agujero negro considerado. Además de un gran éxito en sí mismo, este resultado supuso un gran espaldarazo a la teoría de cuerdas como candidata a teoría cuántica de la gravedad. Este resultado de Strominger y Vafa ha sido sin duda determinante para la obtención del Premio Breakthrough 2017, por sus “avances transformadores en teoría cuántica de campos, teoría de cuerdas y gravedad cuántica”.

Imagen 3: Kalvi Institute for Theoretical Physics. Santa Bárbara.

Concluyamos mencionando a los galardonados con el Premio New Horizons 2017, la versión junior del Breakthrough como hemos indicado más arriba. Son Asimina Arvanitaki (de Perimeter Institute), Peter Graham (Stanford), Surjeet Rajendran (Berkeley) y Frans Pretorius (Princeton), además de los cuerderos Simone Giombi (Princeton) y Xi Yin, con el que he tenido el gusto de coincidir en Harvard durante mi etapa allí en los últimos años.

De nuevo, ¡enhorabuena!

Texto de Óscar Varela, Doctor en Físicas, Assistant Professor en Utah State University, y Senior Scientist en Max Planck Insitut für Gravitationsphysik, Postdam.

Alba: la luz sincrotrón española.

En marzo de 2010, en Cerdanyola del Vallés (Barcelona), se inaugura el sincrotrón ALBA. Habiendo costado unos 200 millones de Euros, es sin duda una de las instalaciones científicas más importantes de España. No obstante, mucha gente no sabe que España tiene esta instalación puntera ni para qué sirve, esperemos aclararlo un poco.

El sincrotrón es básicamente una instalación que utiliza electrones acelerados para generar rayos X, que son utilizados para diversos tipos de investigaciones. Esta generación de rayos X se fundamenta en el movimiento de los electrones: cuando un electrón se mueve y cambia la dirección de su movimiento, emite energía.

En una visión más general, teniendo en cuenta efectos relativistas, uno se puede imaginar a los electrones viajando a velocidades cercanas a la de la luz (c = 3x108 m/s) y al ser forzados a cambiar su movimiento bajo la acción de campos magnéticos, se produce una emisión de luz con unas propiedades características, la llamada radiación sincrotrón. Esta radiación es producida en una instalación sincrotrón de tamaño aproximado a cuatro campos de futbol. Aquí, los electrones son acelerados a una energía extremadamente alta y se les hace cambiar de dirección periódicamente para conseguir la emisión de este singular tipo de luz.

¿De dónde proviene la luz del sincrotrón? Básicamente del movimiento de los electrones. Los electrones son generados en un cañón de haz electrónico por emisión termiónica desde un cátodo de wolframio calentado, de la misma forma que se hace en un tubo de rayos X o en un antiguo televisor de rayos catódicos. Una vez generado, este haz es acelerado en un acelerador lineal (linac1) mediante campos eléctricos hasta una energía de alrededor de 100 MeV. En este punto, el haz es transferido al anillo intensificador de señal o booster, donde se intensifica a energías desde millones (106) a giga (109) electrón voltios (GeV) con la ayuda de imanes muy potentes (¡2000 veces más intensos que el campo magnético de la Tierra!) y campos eléctricos. El sincrotrón español (ALBA), que se puede ver en la figura 1, tiene una energía de 3 GeV. En este punto, el haz de electrones es enviado al anillo de almacenamiento donde los campos magnéticos lo mantienen confinado. Para hacernos una idea, los electrones se mantienen girando alrededor de una circunferencia que en el caso de ALBA tiene 269 metros. Este ciclo es repetido 3 veces por segundo.

Figura 1.

                           

Durante el tiempo que el haz está en el anillo de almacenamiento, este haz está gradualmente decayendo debido a las colisiones de los electrones con moléculas de gas residual y con otros electrones. Para minimizar estas pérdidas, el haz transita por dentro de una cámara circular a ultra-alto vacío, a alrededor de 10-10 milibares, equivalente a la presión atmosférica en la Luna. Sin embargo, incluso en estas condiciones el haz necesita ser recargado una o varias veces al día para que su intensidad no decrezca tanto.

El anillo de almacenamiento tiene que ser visto como una estructura consistente en secciones arqueadas, donde actúan los imanes desviadores de dipolo (BM) y secciones rectas, donde se disponen unos dispositivos de inserción (ID: onduladores y wigglers) como se ve en la figura 1. Los BMs son usados para desviar los electrones a lo largo de las secciones arqueadas y producen una radiación que es menos intensa en términos de brillo a la producida por los IDs.

La aparición de estos últimos (IDs) son los que han definido las fuentes de radiación sincrotrón de tercera generación, tales como ALBA. Estas fuentes están diseñadas para obtener un flujo óptimo con el máximo brillo. De hecho, estas dos propiedades indican la calidad de una instalación sincrotrón. El flujo espectral está definido por el número de fotones por segundo y por ancho de banda (~ 0.1%) atravesando un área definida y se explota como haz blanco de rayos X (es decir, no monocromático sino con todas las longitudes de onda mezcladas), aquí es más importante la intensidad del haz que su tamaño. Para focalizar el haz en un foco de tamaño reducido se explota otra de las cualidades de los sincrotrones, el brillo del haz2. Este último parámetro, el brillo, establece el foco más pequeño al que se puede llegar con el haz de rayos X y determina cómo está distribuido el flujo tanto angular como espacialmente. Así podemos definir el brillo como la cantidad de potencia por unidad de frecuencia, área y ángulo sólido.

Hay un continuo desarrollo de elementos ópticos que optimizan estas propiedades del haz sincrotrón en las llamadas fuentes de tercera generación. Sin embargo, hay que mencionar que existen fuentes de cuarta generación ya disponibles que están basadas en láseres de electrones libres (FELs). Estas nuevas instalaciones son capaces de producir pulsos de luz coherente muy cortos y con un pico muy alto de intensidad y brillo3.

Figura 2.

                                    

El destino final de la radiación sincrotrón es la línea, que está posicionada tangencialmente al anillo de almacenamiento de forma que se captura la luz de sincrotrón (fotones del haz de rayos X) procedente del anillo. Para los usuarios, la línea es la parte de la instalación sincrotrón que despierta mayor interés. La primera parte que se encuentra el haz de rayos X es la cabaña óptica, donde los fotones son entregados por los imanes del anillo. Esta sección incorpora varios dispositivos como filtros, atenuadores, espejos y monocromadores que se usan para enfocar y seleccionar la longitud de onda (energía) deseada para cada experimento. Éstos se realizan en la segunda estación de la línea llamada estación final o cabaña experimental. La mayoría de estos experimentos están alojados dentro de un recinto que apantalla la radiación, para que los trabajadores de la línea y los usuarios estén protegidos de los rayos X nocivos. Debido a que los científicos no pueden entran en las cabañas durante la recolección de los datos, el equipamiento está controlado remotamente en la cabaña de control vía motores y dispositivos robóticos.

La radiación sincrotrón es extremadamente intensa (cientos de veces más intensa que la de un tubo de rayos X que se pueda encontrar en un laboratorio convencional) y cubre un amplio rango de energías, desde el infrarrojo y ultravioleta pasando por el visible hasta la región del espectro electromagnético perteneciente a los rayos X duros y blandos.

Las técnicas de sincrotrón también abarcan un gran número de aplicaciones desde las biológicas a los materiales industriales, como se muestra en la figura 1. El amplio rango de instrumentos y longitudes de onda disponibles permiten determinar el tamaño, la forma de los materiales y elucidar sus estructuras. Desde el punto de vista biológico se pueden resolver estructuras de proteínas y virus (ver el ejemplo de XALOC mostrado en la figura 1), obtener imágenes y mapas de cómo se pueden invertir las alteraciones producidas en células infectadas mediante ciertos fármacos (MISTRAL) e investigar largos acoplamientos moleculares como polímeros, proteínas, fibras y otras soluciones biológicas (ver NCD). Químicamente, la estructura de materiales masivos puede ser estudiada mediante difracción y espectroscopía de absorción tanto en condiciones ambiente como en condiciones extremas de presión y temperatura (MSPD y CLAESS). Las propiedades avanzadas de la luz sincrotrón en términos de precisión, especificidad y oportunidad comparada con el laboratorio convencional lidian bien con ese tipo de estudios avanzados. Actualmente, es posible desarrollar experimentos usando la luz sincrotrón (MSPD) en materiales sujetos a un amplio rango de presiones y temperaturas, excediendo la condiciones encontradas en la Tierra (363 GPa – más de 3 milliones de veces la presión atmosférica) y alcanzadas por otros planetas (~ 1TPa)4.

Figura 3.

                                           

Los estudios experimentales en materiales 2D como capas delgadas, superficies e interfases también se pueden realizar mediante la radiación sincrotrón. De esta forma, se puede ahondar en el conocimiento y obtener información a una profundidad de unos pocos nanómetros para materiales magnéticos (BOREAS) o incluso seguir reacciones químicas en la escala atómica en diferentes catalizadores (CIRCE). Un estudio reciente describió la coexistencia de magnetismo y superconductividad en superconductores de alta temperatura basados en cupratos6, contrario a la creencia común que dichas propiedades son fenómenos excluyentes.

El uso de la radiación sincrotrón es una herramienta enormemente aprovechable en la que el conocimiento de la escala atómica puede ser obtenido de manera relativamente sencilla gracias al gran número de técnicas que permite. La combinación de investigación y radiación sincrotrón ha abierto nuevas perspectivas en el estudio de la naturaleza de los materiales antes mencionados con resultados en un amplio número de campos.

Esta entrada está escrita por Catalin Popescu, investigador en la línea MSPD de Alba.

1 Alba-Cells, Spanish synchrotron website. https://www.cells.es/en/accelerators/operations

² P. Willmott, An introduction to synchrotron radiation (John Wiley and Sons Press, UK, 2011).

³ S. Mobilio, F. Boscherini, C. Menenghini, Synchrotron Radiation – Basics, Methods and Applications (Springer Press, Berlin, 2015).

⁴ Alba news: researchers probe thallium under extreme conditions and the reference therein https://www.cells.es/en/media/news/researchers-probe-thallium-under-extreme-conditions

⁵ T. S. Duffy, Mineralogy at the extremes, Nature 451, 06584 (2008). http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7176/full/nature06584.html

⁶ Alba news: the hidden mechanism in high temperature superconductors and the reference therein https://www.cells.es/en/media/news/the-hidden-magnetism-in-high-temperature-superconductors

Unificación II: El Modelo Estándar

Imágen 1: Glashow, Salam y Weinberg en la entrega Premio Nobel de 1979

Como ya hemos contado en este blog, en la actualidad nos son conocidas cuatro interacciones fundamentales: la gravitación, el electromagnetismo, la interacción nuclear débil y la interacción nuclear fuerte. A escalas cosmológicas, la primera de ellas viene descrita por la teoría de la relatividad general de Einstein. Las tres restantes se enmarcan en una teoría que, desde los años 70, se conoce como el Modelo Estándar de la física de partículas o, simplemente, Modelo Estándar. Es esta ultima teoría la que rige los procesos sub-atómicos.

Una de las enseñanzas de la relatividad general es que cualquier cuerpo o partícula dotado de energía, con independencia de que tenga masa o no, genera atracción gravitatoria. La interacción electromagnética, sin embargo, solo son capaces de sentirla las partículas dotadas de cierta propiedad: tener carga eléctrica. Masa, energía y carga eléctrica nos son conceptos cotidianos. En particular, todos recordamos aquello de que cargas eléctricas opuestas se atraen, e idénticas se repelen. También existen partículas desposeídas de carga eléctrica, completamente invisibles, pues, a la interacción electromagnética. A las partículas que sienten la interacción electromagnética las llamamos cargadas, y a las que no lo hacen, neutras.

Las interacciones débiles y fuertes son, en ese sentido, similares al electromagnetismo: hay partículas que sienten esas interacciones y otras que no lo hacen. A las partículas que sienten las interacciones débiles (y en algunos casos, también la electromagnética), se les denomina leptones. Las partículas “cargadas” respecto de la interacción fuerte se llaman hadrones.

La gravitación es la única interacción verdaderamente universal. Lo es no solo en el sentido restringido de ser la fuerza que gobierna el universo a gran escala. La gravitación es universal porque todo en este mundo está sometido a ella, a diferencia de las otras tres interacciones fundamentales, que solo actúan sobre ciertas partículas.

Ahora bien, ser universal no quiere decir que necesariamente lleve la voz cantante: la intensidad de unas interacciones respecto de otras es lo que realmente domina los procesos físicos a una escala dada. Por ejemplo, a escalas cosmológicas, la gravitación domina sobre el resto de interacciones. Pero a escalas sub-atómicas, la intensidad de la gravitación es mínima comparada con la de las tres interacciones del Modelo Estándar. Los efectos gravitatorios en la física de partículas elementales son completamente irrelevantes.

Es por esta razón que el Modelo Estándar, aunque excluya la gravitación, es una teoría perfectamente consistente en sí misma. No solo eso: se suele decir que, junto con la relatividad general, el Modelo Estándar es la construcción científica, verificada experimentalmente, más sofisticada y precisa que el ser humano ha logrado hasta ahora. He añadido la cualificación acerca de la verificación experimental para diferenciar el Modelo Estándar de otras teorías, como la teoría de cuerdas, que muestran incluso mayor sofisticación pero no gozan de marchamo experimental. Al menos hasta la fecha.

El Modelo Estándar consta de tres componentes íntimamente relacionados. El primero agrupa las partículas elementales de las que venimos hablando de manera informal. El segundo componente engloba las tres interacciones fundamentales que también hemos señalado. Y el tercer componente es el llamado bosón de Higgs, recientemente descubierto en CERN, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas. Describamos pues en detalle cada uno de estos sectores.

La coletilla de elemental hace referencia a que las partículas en cuestión no tienen estructura interna: la teoría realmente las representa como puntos en el espacio-tiempo. Este criterio solo lo han resistido algunas de las partículas que se conocen desde hace mucho tiempo y otras desde hace no tanto. A medida que avanzaban las investigaciones sobre la estructura de la materia a escalas mas pequeñas, algunas partículas que se pensaban elementales han dejado de serlo, con la definición dada arriba. Por ejemplo, hace cien años se descubrió que el átomo estaba formado por electrones que, en cierto modo, orbitaban alrededor de un núcleo. Si bien el electrón se ha mostrado elemental hasta nuestros días, así no lo ha hecho el núcleo. Efectivamente, posteriormente se descubrió que este estaba formado por protones y neutrones, colectivamente llamados nucleones por ser estos los componentes del núcleo atómico. Incluso los nucleones han caído hoy en día del pedestal de la elementariedad: en la actualidad sabemos que están a su vez formados por otros componentes llamados quarks. De estos sí se piensa que son elementales, pero con semejantes antecedentes es difícil poner la mano en el fuego.

La elementariedad de muchas otras partículas, no solo la de los nucleones, ha sido redefinida con el tiempo. Hacia mediados del siglo XX, tecnología cada vez más desarrollada permitía descubrir muchas partículas nuevas. Tantas había que se hacía necesario unos principios básicos que pusieran orden y permitieran una clasificación de los resultados. Es decir, se hizo necesario el equivalente de lo que en química en el siglo anterior había supuesto el descubrimiento de la tabla periódica de los elementos.

Imagen 2: Modelo Estándar

El Modelo Estándar supone esa clasificación (Imagen 2). Hay dos tipos de partículas elementales en el Modelo Estándar: leptones y quarks. Hay seis leptones: el electrón que ya hemos mencionado, el muón y el tau, ambos versiones masivas e inestables del electrón; a su vez, estas tres partículas vienen acompañadas de otras tres llamadas neutrinos. Seis, pues, en total. Como ya hemos señalado arriba, los leptones sienten la interacción débil y algunos de ellos, los leptones cargados, también la electromagnética. El electrón, muón y tau son cargados, mientas que los neutrinos, como su nombre indica, son neutros.

Los quarks, por otro lado, son los componentes fundamentales de los hadrones, es decir, las piezas básicas de las que se componen las partículas compuestas, como los nucleones, que sienten las interacción nuclear fuerte. Hay también seis tipos de quark: up, down, charm, strange, top y bottom. El hecho de que haya seis leptones y seis quarks permite a su vez agrupar estas partículas en tres familias, compuestas de dos quarks y dos leptones. Por ejemplo, la familia de menor masa se compone de electrón, el correspondiente neutrino, y los quarks up y down. En la imagen 2, los quarks aparecen en violeta y los leptones en verde.

Pasemos a describir las tres interacciones del Modelo Estándar. Como teoría cuántica que es, las partículas del Modelo Estándar interaccionan intercambiando cuantos, es decir, paquetes de energía del tipo correspondiente a la interacción en cuestión. Por ejemplo, el cuanto del campo electromagnético es el fotón, la partícula que originó la revolución cuántica de Planck. Un electrón cargado negativamente y un (anti)muon cargado positivamente, se atraen mediante el intercambio de fotones. La situación es parecida a la de un partido de tenis, en el que ambos tenistas interaccionan y se mueven siguiendo un intercambio de la pelota. La interacción débil posee tres cuantos, llamados Z, W⁺ y W^-. Sus propiedades físicas son muy parecidas a las del fotón. Por esa razón, a la interacción electromagnética y la interacción débil se las conoce conjuntamente como interacción electro-débil. Finalmente, el cuanto de la interacción fuerte se conoce como gluón. En la imagen 2, estos cuantos aparecen en rojo.

Los cuantos de las interacciones del Modelo Estándar también se conocen como bosones de gauge, y así se los nombra en la imagen adjunta. El término hace referencia a que el Modelo Estándar es una teoría llamada de gauge. Este término se puede traducir como de calibración, y hace referencia a que la teoría es simétrica, es decir, invariante cuando ciertas operaciones se realizan en su formulación matemática en cada punto del espacio separadamente. Estas operaciones tienen una estructura matemática conocida como grupo. 
Para concluir los comentarios sobre interacciones, añadamos que hay ciertas teorías, llamadas de gran unificación, que postulan que el Modelo Estándar debería estar regido por grupos de simetría mayores que el que actualmente se conoce. El nombre de gran unificación viene en la línea de lo que discutíamos aquí: estas teorías especulativas logran unificar la descripción matemática de las interacciones fuertes y las electro-débiles.

Finalmente, el ultimo eslabón del Modelo Estándar es el bosón de Higgs. No entraremos aquí en detalle porque el Bosón de Higgs merece su propio post. Solo diremos que es el elemento del Modelo Estándar que da masa al resto de componentes, tanto partículas como cuantos de interacción.

Imágen 3: Oscar Varela en la construcción del LHC en el CERN en 2005

El Modelo Estándar es efectivamente una teoría de gran sofisticación verificada experimentalmente. Como es sabido, el Comité Nobel de Estocolmo hace de la verificación experimental requisito indispensable para otorgar tan prestigioso galardón. Así pues, el Modelo Estándar ha recibido varios. El primero, en 1979, lo recibieron Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg (Imagen 1) por sus contribuciones a la teoría electro-débil. En 2004, David Gross, David Politzer and Franck Wilczek recibieron el premio Nobel por desentrañar ciertos aspectos de la interacción fuerte. Y más recientemente, François Englert y Peter Higgs compartieron el Nobel por sus descripciones teóricas, independientes, del famoso bosón.

En sucesivos posts seguiremos hablando del camino hacia la Unificación, para llegar finalmente a la Teoría de Cuerdas. 

Texto de Óscar Varela, Doctor en Físicas, Assistant Professor en Utah State University, y Senior Scientist en Max Planck Insitut für Gravitationsphysik, Postdam.