Algunos se empeñan en que las leyes de la física se simplifican en dimensiones más altas. Y, lo cierto es que, al no haberlas visto nunca -no están en nuestro plano de universo-, nos inventamos mil y una imagen pretendiendo que las representen pero, en realidad, no lo hacen, Simplemente son figuras extrañas y espacios curvos de Riemann de enrevesado diseño que son…, otra cosa.

Teoría de la cuerda heterótica

 

 

 

“En física, una cuerda heterótica es una mezcla peculiar (o híbrido) de la cuerda bosónica y de la supercuerda (el adjetivo heterótico viene de la palabra griega “heterosis”). En teoría de cuerdas, en las excitaciones con desplazamiento izquierdo y desplazamiento derecho casi no “se hablan”, y es posible construir una teoría de cuerdas con excitaciones de desplazamiento izquierdo que “piensan” que viven en una cuerda bosónica que se propaga en D = 26 dimensiones, mientras que las excitaciones de desplazamiento derecho “piensan” que pertenecen a supercuerdas en D = 10 dimensiones.”
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Así como las cuerdas son los elementos centrales de la teoría a escala fundamental, las branas son los elementos que caracterizarían al universo en escala …

En una de las teorías de cuerdas, la conocida como heterótica, se tiene que desarrollar en el espacio 26–dimensional de las vibraciones de sentido contrario a las agujas del reloj de la cuerda heterótica que tiene espacio suficiente para explicar todas las simetrías encontradas en la teoría de Einstein y en la teoría cuántica. Así, por primera vez, la geometría pura ha dado una simple explicación de por qué el mundo subatómico debería exhibir necesariamente ciertas simetrías que emergen del enrollamiento del espacio de más dimensiones: Las simetrías del dominio subatómico no son sino remanentes de la simetría del espacio de más dimensiones.

Las galaxias, las estrellas y los mundos… Y muchas más cosas, respetan patrónes simétricos que hacen de cada una de sus figuras, una misma estructuración que las hacen similares en un plano general, independientemente de que cada objeto tenga sus propias peculiaridades.

Esto significa que la belleza y simetrías encontradas en la naturaleza pueden ser rastreadas en última instancia hasta el espacio multidimensional.  Por ejemplo, los copos de nieve crean bellas figuras hexagonales, ninguna de las cuales es exactamente igual a otra, han heredado sus estructuras de las formas en que sus moléculas han sido dispuestas geométricamente, determinada básicamente por las cortezas electrónicas de estas moléculas, que a su vez nos llevan de nuevo a las simetrías rotacionales de la teoría cuántica, dadas por O (3).

                        Los copos de nieve mirados al microscopio forman bellas figuras

       ¿Que podemos decir de la bella delicadeza de una rosa?

Del bonito arcoíris ¿quién no tiene la experiencia de contemplarlo?.  Este ha bajado a besar la bonita laguna, y, desde luego, también aquí encontramos la simetría de la Naturaleza.

Podemos concluir diciendo que las simetrías que vemos a nuestro alrededor, desde un arco iris a las flores y a los cristales, pueden considerarse en última instancia como manifestaciones de fragmentos de la teoría decadimensional original. Riemann y Einstein habían confiado en llegar a una comprensión geométrica de por qué las fuerzas pueden determinar el movimiento y la naturaleza de la materia.

Dado el enorme poder de sus simetrías, no es sorprendente que la teoría de supercuerdas sea radicalmente diferente de cualquier otro tipo de física.  De hecho, fue descubierta casi por casualidad. Muchos físicos han comentado que si este accidente fortuito no hubiese ocurrido, entonces la teoría no se hubiese descubierto hasta bien entrado el siglo XXI. Esto es así porque supone una neta desviación de todas las ideas ensayadas en el pasado siglo XX. No es una extensión natural de tendencias y teorías populares en este siglo que ha pasado; permanece aparte.

       Las súper-cuerdas van más lejos que todo esto

“Por el contrario, la teoría de la relatividad general de Einstein tuvo una evolución normal y lógica. En primer lugar, su autor, postula el principio de equivalencia. Luego reformuló este principio físico en las matemáticas de una teoría de campos de la gravitación basada en los campos de Faraday y en el tensor métrico de Riemann. Más tarde llegaron las “soluciones clásicas”, tales como el agujero negro y el Big Bang. Finalmente, la última etapa es el intento actual de formular una teoría cuántica de la gravedad. Por lo tanto, la relatividadgeneral siguió una progresión lógica, desde un principio físico a una teoría cuántica.”

 

Geometría → teoría de campos → teoría clásica → teoría cuántica.

Contrariamente, la teoría de supercuerdas ha estado evolucionando hacia atrás desde su descubrimiento accidental en 1.968. Esta es la razón de que nos parezca extraña y poco familiar, estamos aún buscando un principio físico subyacente, la contrapartida del principio de equivalencia de Einstein.

                                    Suponemos que las cuerdas están más allá de los Quarks

Uno de los secretos más profundos de la teoría de cuerdas, que aún no es bien comprendido, es por qué está definida solo en diez , once y veintiséis dimensiones. De todas las maneras, como nos dice Michiu Kaku, ese Físico que mira hacia el futuro, habría que tener presente las funciones modulares del Ramanujan para ver sí, dentro de ellas, están las respuestas de esas preguntas que, por ahora, nadie ha sabido contestar.

Gran parte de este trabajo es original del libro Hiperespacio de Michio Kaku, y, desde luego, como él nos anuncia, la Física tiene muchas de las respuestas que buscamos, sin embargo, también como nos dice la misma Física, algunas veces esas respuestas están situadas en la parte más simple de lo que estamos estudiando y, sin embargo, nos empeñamos en ahondar, de manera innecesaria hacia lo más profundo e incomprensible para buscar lo que tenemos delante de nuestras propias narices.

Si el límite de todas las teorías están marcados por las unidades de Planck, ya sabemos hasta dónde podemos llegar y, desde luego, la verificación de la Teoría de cuerdas, si como dicen los expertos necesita de la energía de Planck (10¹⁹ GeV) para ser verificada, entonces, nos queda mucho que esperar porque, ¿cuándo podrán tener los humanos esa energía a su disposición?

Existen límites a los que aún no han podido llegar nuestras teorías, y, el Límite de Planck es el que marca las fronteras de las teorías actuales que, nunca han podido llegar tan lejos como lo que nos dice esta simple ecuación:

            Gabriele Veneziano es un físico italiano                  Mahico Suzuki

La teoría nació casi por casualidad en 1.968 cuando dos jóvenes físicos teóricos, Gabriel Veneziano y Mahiko Suzuki, estaban hojeando independientemente libros de matemáticas. Figúrense ustedes que estaban buscando funciones matemáticas que describieran las interacciones de partículas fuertemente interactivas. Mientras estudiaban en el CERN, el Centro Europeo de Física Teórica en Ginebra, Suiza, tropezaron independientemente con la función beta de Euler , una función matemática desarrollada en el S. XIX por el matemático Leonhard Euler. Se quedaron sorprendidos al descubrir que la función beta de Euler ajustaba casi todas las propiedades requeridas para describir interacciones fuertes de partículas elementales.

Según he leído, durante un almuerzo en el Lawrence Berkeley Laboratory en California, con una espectacular vista del Sol brillando sobre el puerto de San Francisco, Suzuki le explicó a Michio Kaku mientras almorzaban la excitación de descubrir, prácticamente por casualidad, un resultado parcialmente importante. No se suponía que la física se pudiera hacer de ese modo casual.

Tras el descubrimiento, Suzuki, muy excitado, mostró el hallazgo a un físico veterano del CERN. Tras oír a Suzuki, el físico veterano no se impresionó. De hecho le dijo a Suzuki que otro físico joven (Veneziano) había descubierto la misma función unas semanas antes. Disuadió a Suzuki de publicar su resultado. Hoy, esta función beta se conoce con el nombre de modelo Veneziano, que ha inspirado miles de artículos de investigación iniciando una importante escuela de física y actualmente pretende unificar todas las leyes de la física.

En 1970, el Modelo de Veneziano-Suzuki (que contenía un misterio), fue parcialmente explicado cuando Yoichiro Nambu, de la Universidad de Chicago, y Tetsuo Goto, de la Nihon University, descubrieron que una cuerda vibrante yace detrás de sus maravillosas propiedades.

Así que, como la teoría de cuerdas fue descubierta hacia atrás y por casualidad, los físicos aún no conocen el principio físico que subyace en la teoría de cuerdas vibrantes y sus maravillosas propiedades.

El último paso en la evolución de la teoría de cuerdas (y el primer paso en la evolución de la relatividadgeneral) aún está pendiente de que alguien sea capaz de darlo.

     Así, Witten dice:

“Los seres humanos en el planeta tierra nunca dispusieron del marco conceptual que les llevara a concebir la teoría de supercuerdas de manera intencionada, surgió por razones del azar, por un feliz accidente. Por sus propios méritos, los físicos del siglo XX no deberían haber tenido el privilegio de estudiar esta teoría muy avanzada a su tiempo y a su conocimiento. No tenían (ni tenemos ahora mismo) los conocimientos y los prerrequisitos necesarios para desarrollar dicha teoría, no tenemos los conceptos correctos y necesarios.”

 

Actualmente, Edwar Witten es el físico teórico que, al frente de un equipo de físicos de Princeton, lleva la bandera de la teoría de supercuerdas con aportaciones muy importantes en el desarrollo de la misma. De todas las maneras, aunque los resultados y avances son prometedores, el camino por andar es largo y la teoría de supercuerdas en su conjunto es un edificio con muchas puertas cerradas de las que no tenemos las llaves para acceder a su interior y mirar lo que allí nos aguarda.

Ni con esta colección podremos abrir la puerta que nos lleve a la Teoría cuántica de la gravedad que, según dicen, subyace en la teoría M

El problema está en que nadie es lo suficientemente inteligente para resolver la teoría de campos de cuerdas o cualquier otro enfoque no perturbativo de esta teoría. Se requieren técnicas que están actualmente más allá de nuestras capacidades. Para encontrar la solución deben ser empleadas técnicas no perturbativas, que son terriblemente difíciles. Puesto que el 99 por ciento de lo que conocemos sobre física de altas energías se basa en la teoría de perturbaciones, esto significa que estamos totalmente perdidos a la hora de encontrar la verdadera solución de la teoría.

Nosotros, como el gato, estamos ante un enredo que no sabemos como solucionar. Nos faltan los conocimientos para ello. Y, como nuestras mentes evolucionan al ritmo que tiene impuesto el Universo, tendremos esas respuestas cuando llegue el momento, cuando estémos preparados para ello. Sobre todo, el conocimiento necesario para manejar las implicaciones que de tales conocimientos se pueden derivar.

¿Por qué diez dimensiones?

                                 Esta no se conformaba con 10 ni con 11, sino que necesitó 26

Uno de los secretos más profundos de la teoría de cuerdas, que aún no es bien comprendido, es por qué está definida sólo en diez, once y veintiséis dimensiones. Si calculamos cómo se rompen y se vuelven a juntar las cuerdas en el espacio N-dimensional, constantemente descubrimos que pululan términos absurdos que destruyen las maravillosas propiedades de la teoría. Afortunadamente, estos términos indeseados aparecen multiplicados por (N-10). Por consiguiente, para hacer que desaparezcan estas anomalías, no tenemos otra elección cuántica que fijar N = 10. La teoría de cuerdas, de hecho, es la única teoría cuántica conocida que exige completamente que la dimensión del espacio-tiempo esté fijada en un número único, el diez.

Por desgracia, los teóricos de cuerdas están, por el momento, completamente perdidos para explicar por qué se discriminan las diez dimensiones.  La respuesta está en las profundidades de las matemáticas, en un área denominada funciones modulares.

Al manipular los diagramas de lazos de Kikkawa, Sakita y Virasoro creados por cuerdas en interacción, allí están esas extrañas funciones modulares en las que el número 10 aparecen en los lugares más extraños.

Estas funciones modulares son tan misteriosas como el hombre que las investigó, el místico del este. Quizá si entendiéramos mejor el trabajo de este genio indio, comprenderíamos por qué vivimos en nuestro universo actual.

El misterio de las funciones modulares podría ser explicado por quien ya no existe, Srinivasa Ramanujan, el hombre más extraño del mundo de los matemáticos. Igual que Riemann, murió antes de cumplir cuarenta años, y como Riemann antes que él, trabajó en total aislamiento en su universo particular de números y fue capaz de reinventar por sí mismo lo más valioso de cien años de matemáticas occidentales que, al estar aislado del mundo en las corrientes principales de los matemáticos, le eran totalmente desconocidos, así que los buscó sin conocerlos. Perdió muchos años de su vida en redescubrir matemáticas conocidas.

En los cuardenos perdidos de Ramanujan podrían estar las respuestas. Dispersas entre oscuras ecuaciones en sus cuadernos están estas funciones modulares, que figuran entre las más extrañas jamás encontradas en matemáticas. Ellas reaparecen en las ramas más distantes e inconexas de las matemáticas. Una función que aparece una y otra vez en la teoría de las funciones modulares se denomina (como ya he dicho otras veces) hoy día “función de Ramanujan” en su honor. Esta extraña función contiene un término elevado a la potencia veinticuatro.

Así trabajaba la mente de Ramanujan que tenía las matemáticas en su cabeza

Pasando de las figuras a los números, otro mínimo famoso es el número de Ramanujan: el 1729. En cierta ocasión, G. H. Hardy le comentó al genial matemático indio que era un número poco interesante, y Ramanujan replicó: “No diga eso, Hardy, 1729 es el menor número que se puede expresar de dos maneras distintas como suma de dos cubos”.

Efectivamente, 1729 = 103 + 93 = 123 + 13; pero ¿es realmente el menor número con esta propiedad?

El número 24 aparece repetidamente en la obra de Ramanujan. Este es un ejemplo de lo que las matemáticas llaman números mágicos, que aparecen continuamente donde menos se esperan por razones que nadie entiende.   Milagrosamente, la función de Ramanujan aparece también en la teoría de cuerdas. El número 24 que aparece en la función de Ramanujan es también el origen de las cancelaciones milagrosas que se dan en la teoría de cuerdas.  En la teoría de cuerdas, cada uno de los veinticuatro modos de la función de Ramanujan corresponde a una vibración física de la cuerda. Cuando quiera que la cuerda ejecuta sus movimientos complejos en el espacio-tiempo dividiéndose y recombinándose, deben satisfacerse un gran número de identidades matemáticas altamente perfeccionadas. Estas son precisamente las entidades matemáticas descubiertas por Ramanujan. Puesto que los físicos añaden dos dimensiones más cuando cuentan el número total de vibraciones que aparecen en una teoría relativista, ello significa que el espacio-tiempo debe tener 24 + 2 = 26 dimensiones espacio-temporales.

               Reflejos de luz polarizada sobre una superficie de un disco

Para comprender este misterioso factor de dos (que añaden los físicos), consideramos un rayo de luz que tiene dos modos físicos de vibración. La luz polarizada puede vibrar, por ejemplo, o bien horizontal o bien verticalmente. Sin embargo, un campo de Maxwell relativista A_µ tiene cuatro componentes, donde µ = 1, 2, 3, 4. Se nos permite sustraer dos de estas cuatro componentes utilizando la simetría gauge de las ecuaciones de Maxwell.  Puesto que 4 – 2 = 2, los cuatro campos de Maxwell originales se han reducido a dos. Análogamente, una cuerda relativista vibra en 26 dimensiones.  Sin embargo, dos de estos modos vibracionales pueden ser eliminados cuando rompemos la simetría de la cuerda, quedándonos con 24 modos vibracionales que son las que aparecen en la función de Ramanujan.

     Es posible que, en las matemáticas de Ramanujan estén algunas respuestas

Cuando se generaliza la función de Ramanujan, el 24 queda reemplazado por el número 8. Por lo tanto, el número crítico para la supercuerda es 8+2=10. Este es el origen de la décima dimensión que exige la teoría. La cuerda vibra en diez dimensiones porque requiere estas funciones de Ramanujan generalizadas para permanecer auto consistente. Dicho de otra manera, los físicos no tienen la menor idea de por qué 10 y 26 dimensiones se seleccionan como dimensión de la cuerda. Es como si hubiera algún tipo de numerología profunda que se manifestara en estas funciones que nadie comprende. Son precisamente estos números mágicos que aparecen en las funciones modulares elípticas los que determinan que la dimensión del espacio-tiempo sea diez.

En el análisis final, el origen de la teoría decadimensional es tan misterioso como el propio Ramanujan. Si alguien preguntara a cualquier físico del mundo por qué la naturaleza debería existir en diez dimensiones, estaría obligado a responder “no lo sé”. Se sabe en términos difusos, por qué debe seleccionarse alguna dimensión del espacio tiempo (de lo contrario la cuerda no puede vibrar de una forma cuánticamente autoconsistente), pero no sabemos por qué se seleccionan estos números concretos.

¡Son tantas las cosas que no sabemos!

Publica: emilio silvera

PD. Le damos las gracias a Michio Kaku por sus ideas y su manera futurista de ver la Física.

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Descomposición del Higgs en el experimento ATLAS – ATLAS /CERN

¿Es el Bosón de Higgs la puerta hacia una nueva física?

Investigadores de los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones observan, por primera vez, el proceso de descomposición del Higgs

A pesar de que hace ya seis años que se descubrió el Bosón de Higgs, nadie hasta ahora había conseguido observar su misterioso proceso de descomposición. Según el Modelo Estándar, la gran Teoría que agrupa a todas las partículas y fuerzas conocidas de la Naturaleza, el Higgs debería descomponerse, en el 60% de las ocasiones, en quarks “fondo”, uno de los “sabores” o tipos más masivos de quarks, las diminutas partículas que constituyen protones y neutrones dentro del núcleo atómico.

Y ahora, utilizando un gran número de datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los investigadores de los experimentos ATLAS y CMS han conseguido, por fin, “cazar” al elusivo bosón justo en el momento en que, tal y como predice la teoría, se descomponía en dos partículas: un quark fondo y su equivalente antimateria, un quark antifondo. Los resultados de la investigación acaban de publicarse en dos artículos que pueden consultarse aquí y aquí.

Desde el descubrimiento del Higgs en 2012, los físicos habían tratado inútilmente de observar este proceso, tanto para confirmar las predicciones del Modelo Estandar como para subrayar sus lagunas y la necesidad de buscar una nueva Física capaz de explicar lo que el Modelo Estándar no puede.

El problema es que el proceso de descomposición del Higgs es extraordinariamente difícil de “atrapar” mientras sucede. El bosón, en efecto, se produce por una colisión entre dos protones. Si durante la colisión dos gluones (las partículas que mantienen unidos protones y neutrones entre sí) se fusionan y producen dos quarks “arriba”, dichos quarks pueden recombinarse en un Bosón de Higgs. Todo el proceso tiene lugar en un tiempo increíblemente corto: antes de descomponerse, el Higgs existe apenas durante la septillonésima parte de un segundo.

Es posible que el Bosón de Higgs sea una partícula fundamental en nuestro Universo

Existen varias formas posibles en que estas partículas pueden descomponerse y ser observadas con relativa facilidad. Pero con los quarks fondo la cosa se vuelve más complicada, ya que en cada colisión protón-protón se produce una auténtica lluvia de partículas secundarias, incluidos los quarks fondo, que a su vez se descomponen rápidamente en otras partículas.

Dado a que la existencia del Higgs es tan breve, hasta ahora había sido imposible determinar si los quark fondo detectados eran efectivamente el resultado de un bosón de Higgs en descomposición o de otros procesos de fondo causados por la colisión de protones.

Cientos de miles de eventos

Para aclarar las cosas, los detectores ATLAS y CMS combinaron sus datos y los analizaron para tratar de encontrar los quarks fondo entre la lluvia de partículas producida por la colisión. El segundo paso fue rastrear esos quarks fondo hasta un bosón de Higgs y comprobar así que, efectivamente, eran el producto de su descomposición.

Según Chris Palmer, físico de la Universidad de Princeton que trabajó en el análisis de datos del CMS, “Encontrar un solo evento que se parezca a los quarks fondo originados por un bosón de Higgs no es suficiente. Necesitábamos analizar cientos de miles de eventos antes de poder arrojar luz sobre este proceso, que sucede en medio de una montaña de eventos de fondo de aspecto similar”.

Finalmente, los investigadores lograron encontrar lo que buscaban y pudieron anunciar haber sido testigos, por primera vez, de la descomposición de un Bosón de Higgs.

Los resultados abren las puertas a un estudio mucho más detallado del Higgs y de la forma que tiene de interactuar con otra materia, incluidas partículas que aún no se han descubierto (como por ejemplo las de materia oscura), lo que equivaldría a entrar por primera vez en el ámbito de una nueva Física capaz de explicar lo que hoy no tiene, aún, explicación.

El siguiente paso en la investigación será refinar las mediciones para estudiar la descomposición del Higgs en una resolución mucho más alta.

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Ya hemos descrito en trabajos anteriores las dos familias de partículas elementales: Quarks y Leptones. Pero hasta ahí, no se limita la sociedad del “universo” infinitesimal. Existen además las antifamilias. A quarks y electrones se asocian, por ejemplo, antiquarks y antielectrones. A cada partícula, una antipartícula.

Uno de los primeros éxitos de la teoría relativista del campo cuántico fue la predicción de las antipartículas: nuevos cuantos que eran la imagen especular de las partículas ordinarias. Las antipartículas tienen la misma masa y el mismo spin que sus compañeras las partículas ordinarias, pero cargas inversas. La antipartícula del electrón es el positrón, y tiene, por tanto, carga eléctrica opuesta a la del electrón. Si electrones y positrones se colocan juntos, se aniquilan, liberando la energía inmensa de su masa según la equivalencia masa-energía einsteniana.

¿Cómo predijeron los físicos la existencia de antipartículas? Bueno, por la «interpretación estadística» implicaba que la intensidad de un campo determinaba la probabilidad de hallar sus partículas correspondientes. Así pues, podemos imaginar un campo en un punto del espacio describiendo la creación o aniquilación de sus partículas cuánticas con una probabilidad concreta. Si esta descripción matemática de la creación y aniquilación de partículas cuánticas se inserta en el marco de la teoría relativista del campo cuántico, no podemos contar con la posibilidad de crear una partícula cuántica sin tener también la de crear un nuevo género de partícula: su antipartícula. La existencia de antimateria es imprescindible para una descripción matemáticamente coherente del proceso de creación y aniquilación según la teoría de la relatividad y la teoría cuántica.

La misteriosa sustancia conocida como “materia oscura” puede ser en realidad una ilusión, creada por la interacción gravitacional entre partículas de corta vida de materia y antimateria. Un mar hirviente de partículas en el espacio puede crear la gravedad repulsiva.

Puede ser posible que las cargas gravitacionales en el vacío cuántico podrían proporcionar una alternativa a la “materia oscura”. La idea se basa en la hipótesis de que las partículas y antipartículas tienen cargas gravitacionales de signo opuesto. Como consecuencia, los pares de partícula-antipartícula virtuales en el vacío cuántico y sus dipolos de forma gravitacional (una carga gravitacional positivos y negativos) pueden interactuar con la materia bariónica para producir fenómenos que se suele atribuir a la materia oscura. Fue el  físico del CERN, Dragan Slavkov Hajdukovic, quien propuso la idea, y demostró matemáticamente que estos dipolos gravitacionales podrían explicar las curvas de rotación de las galaxias observadas sin la materia oscura en su estudio inicial. Sin embargo,  señaló que quedaba mucho por hacer.

Pero sigamos con la cuántica…

El pionero en comprender que era necesario que existiesen antipartículas fue el físico teórico Paul Dirac, que hizo varías aportaciones importantes a la nueva teoría cuántica. Fue él quien formuló la ecuación relativista que lleva hoy su nombre, y a la que obedece el campo electrónico; constituye un descubrimiento comparable al de las ecuaciones del campo electromagnético de Maxwell. Cuando resolvió su ecuación, Dirac se encontró con que además de describir el electrón tenía soluciones adicionales que describían otra partícula con una carga eléctrica opuesta a la del electrón. ¿Qué significaría aquello? En la época en que Dirac hizo esta observación, no se conocían más partículas con esta propiedad que el protón. Dirac, que no deseaba que las partículas conocidas proliferasen, decidió que las soluciones adicionales de su ecuación describían el protón.

Pero, tras un análisis más meticuloso, se hizo evidente que las partículas que describían las soluciones adicionales tenían que tener exactamente la misma masa que el electrón. Quedaba así descartado el protón, cuya masa es por lo menos, 1.800 veces mayor que la del electrón. Por tanto, las soluciones adicionales tenían que corresponder a una partícula completamente nueva de la misma masa que el electrón, pero de carga opuesta: ¡El antielectrón! Esto quedó confirmado a nivel experimental en 1932 cuando Carl Anderson, físico del Instituto de Tecnología de Calífornia, detectó realmente el antielectrón, que hoy se llama positrón.

Antes de empezar, debemos recordar que el Premio Nobel de Física de 1936 se repartió a partes iguales entre Victor Franz Hess y Carl David Anderson. Merece la pena leer la Nobel Lecture de Carl D. Anderson, “The production and properties of positrons,” December 12, 1936, quien nos explica que en esta imagen un “electrón” de 63 MeV atraviesa un placa de plomo de 6 mm y emerge con una energía de 23 MeV, pero lo hace con la curvatura “equivocada” como si fuera una partícula de carga positiva, como si fuera un protón pero con la masa de un electrón. La Nobel Lecture muestra muchas otras fotografías de positrones y electrones. Anderson afirma: “The present electron theory of Dirac provides a means of describing many of the phenomena governing the production and annihilation of positrons.”

Por otro lado, el Premio Nobel de Física de 1933 se repartió a partes iguales entre Erwin Schrödinger y Paul Adrien Maurice Dirac. También vale la pena leer la Nobel Lecture de Paul A. M. Dirac, “Theory of electrons and positrons,” December 12, 1933, aunque no cuente la historia de su descubrimiento, afirma que su ecuación predice el “antielectrón” de soslayo: ”There is one other feature of these equations which I should now like to discuss, a feature which led to the prediction of the positron.” (fuente: Francis (th)E mule Science’s News).

La aparición de las antipartículas cambió definitivamente el modo de pensar de los físicos respecto a la materia. Hasta entonces, se consideraba la materia permanente e inmutable. Podían alterarse las moléculas, podían desintegrarse los átomos en procesos radiactivos, pero los cuántos fundamentales se consideraban invariables. Sin embargo, tras el descubrimiento de la antimateria realizado por Paul Dirac hubo que abandonar tal criterio. Heisenberg lo expresaba así:

“Creo que el hecho de que Dirac haya descubierto partículas y antipartículas, ha cambiado toda nuestra visión de la física atómica… creo que, hasta entonces, todos los físicos habían concebido las partículas elementales siguiendo los criterios de la filosofía de Demócrito, es decir, considerando esas partículas elementales como unidades inalterables que se hallan en la naturaleza como algo dado y son siempre lo mismo, jamás cambian, jamás pueden transmutarse en otra cosa. No son sistemas dinámicos, simplemente existen en sí mismas. Tras el descubrimiento de Dirac, todo parecía distinto, porque uno podía preguntar: ¿por qué un protón no podría ser a veces un protón más un par electrón-positrón, etc.?… En consecuencia, el problema de la división de la materia había adquirido una dimensión distinta.”

 

Dado que la antimateria tiene la misma masa que la materia, es decir son de la misma magnitud y signo (la definición de masa es positiva siempre), el efecto gravitacional de la antimateria no debe ser distinto de la materia, es decir, siempre sera un efecto atractivo. Pero, ¿acaso no importa la equivalencia establecida de antipartícula viajando al futuro = partícula viajando al pasado?

                Existe un “universo” que se nos escapa de la comprensión

La respuesta es sí. Dicha equivalencia proviene de algo llamado simetría CPT (Charge-Parity-Time), y nos dice que la equivalencia entre las partículas y antipartículas no solo corresponde a realizar una transformación sobre la carga, sino también sobre la paridad y el tiempo. La carga no afecta la gravedad, pero la paridad y el tiempo si la afectan. En otras palabras, al modificarse el tiempo (poner el tiempo al reves) y el espacio (la paridad es “girar” el espacio), estamos alterando el espacio-tiempo, y como la teoría general de la relatividad lo afirma, es la geometría de este el que determina la gravedad.

El carácter mutable de la materia se convirtió en piedra angular de la nueva física de partículas. El hecho de que partículas y antipartículas puedan crearse juntas a partir del vacío si se aporta energía suficiente, no sólo es importante para entender cómo se crean las partículas en aceleradores de alta energía, sino también para entender los procesos cuánticos que se produjeron en el Big Bang.

Partículas y campos, clásicos y cuánticos. Las nociones clásicas de partícula y campo comparadas con su contrapartida cuántica. Una partícula cuántica está deslocalizada: su posición se reparte en una distribución de probabilidad. Un campo cuántico es equivalente a un colectivo de partículas cuánticas.

Como ya lo hemos expresado, el conocimiento que se obtuvo sobre la existencia de antifamilias de partículas o familias de antipartículas es una consecuencia de la aplicación de la teoría relativista del campo cuántico, para cada partícula existe una partícula que tiene la misma masa pero cuya carga eléctrica (y otras llamadas cargas internas) son de signo opuesto. Estas son las antipartículas. Así, al conocido electrón, con carga negativa, le corresponde un «electrón positivo» como antipartícula, llamado positrón, descubierto en 1932. El antiprotón, descubierto en 1956, tiene la misma masa que el protón, pero carga eléctrica negativa de igual valor. El fotón, que no tiene masa ni carga eléctrica, puede ser considerada su propia antipartícula.

Un agujero negro es un objeto que tiene tres propiedades: masa, espin y carga eléctrica. La forma del material en un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teoría, el material continuaría colapsando hasta tener radio cero, punto conocido como Singularidad, de densidad infinita.

Un agujero negro tiene tres propiedades: masa, espín y carga eléctrica. La forma del material de un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teoría, el material continuaría colapsando hasta tener radio cero, punto conocido como singularidad, de densidad infinita.

La luz (fotones), no son una onda distinta que un electrón o protón, etc.

1°- “No se dispersan”, no son más pequeñas, como las ondas del agua (olitas) cuando tiramos una piedrita, a medida que se alejan de su centro; sino que en el caso de la luz son menos partículas, pero son siempre el mismo tipo de onda (determinada frecuencia), igual tamaño.

2°- Las ondas con más energía son más grandes, los fotones al igual que las partículas son más pequeñas, contra toda lógica (contracción de Lorentz).

3°- No necesitan de un medio material para desplazarse. Viajan en el vacío. El medio que usan para viajar, es el mismísimo espacio.

4°- Su cualidad de onda no es diferente de las partículas. Lo podemos ver en la creación de pares y la cualidad de onda de las partículas, etc. En ningún momento la partícula, es una cosa compacta (ni una pelotita), siempre es una onda, que no se expande. En la comparación con la ola, sería como un “montón” o un “pozo” de agua, con una dirección, lo que conocemos como ecuación de Schrödinger. En ningún momento la partícula, es una pelotita; la ola sobre el agua, no es un cuerpo que se mueve sobre el agua, no es un montón de agua que viene (aunque parece), sino una deformación del agua. Así la partícula, no es un montón de algo, sino una deformación del espacio.

La curvatura está relacionadas con la probabilidad de presencia, no es una bolita que está en uno de esos puntos, sino que es una onda en esa posición. El fotón es una onda que no necesita de un medio material para propagarse, se propaga por el espacio vacío. Así como una onda de sonido es una contracción-expansión del medio en que se propaga, el fotón es una contracción-expansión del espacio (del mismísimo espacio), razón por la cual entendemos que el espacio se curva, se contrae y expande. La rigidez del medio, da la velocidad de la deformación (velocidad de  la onda), en el caso de la rigidez del espacio da una velocidad “c”.Esta onda por causa de la contracción del tiempo (velocidad “c”), no se expande, sino que se mantiene como en su origen (para el observador ), como si fuese una “burbuja”, expandida o contraída, en cada parte, positiva-negativa

Cada partícula está caracterizada por un cierto número de parámetros que tienen valores bien definidos: su masa, carga eléctrica, spin o rotación interna y otros números, conocidos como cuánticos. Estos parámetros son tales que, en una reacción, su suma se mantiene y sirve para predecir el resultado. Se dice que hay conservación de los números cuánticos de las partículas. Así, son importantes el número bariónico, los diversos números leptónicos y ciertos números definidos para los quarks, como la extrañeza, color, etc. Estos últimos y sus antipartículas tienen cargas eléctricas (± 1/3 o ± 2/3) y números bariónicos (±1/3) fraccionarios. No todos los números asociados a cada partícula han sido medidos con suficiente precisión y no todas las partículas han sido detectadas en forma aislada, por lo menos de su ligamento, como el caso de los quarks y de los gluones.

los quarks y de los gluones.

Los gluones son una especie de «partículas mensajeras» que mantienen unidos a los quarks. Su nombre proviene del término inglés “glue”, que significa pegamento, en español quizás podría ser gomón. Ahora, en cuanto a los quarks, ya hicimos referencia de ellos anteriormente. Pero recordemos aquí, que fueron descubiertos en 1964 por Murray Gell-Mann, como los componentes más reducidos de la materia. Hasta entonces se pensaba que los átomos consistían simplemente en electrones rodeando un núcleo formado por protones y electrones.

En estado natural, quarks y gluones no tienen libertad. Pero si se eleva la temperatura a niveles 100.000 veces superiores, como se ha hecho en aceleradores de partículas, a la del centro del Sol, se produce el fenómeno del desconfinamiento y por un brevísimo tiempo quedan libres. En ese preciso momento aparece lo que se suele llamar plasma, «una sopa de quarks y gluones» que equivale al estado en que se podría haber encontrado la naturaleza apenas una milésima de segundo luego del Big Bang.

Recientemente se ha descubierto un nuevo estado de la materia, esta vez a niveles muy altos de energía, que los científicos han denominado Plasma Gluón-Quark. La transición ocurre a temperaturas alrededor de cien mil millones de grados y consiste en que se rompen las fuertes ligaduras que mantienen unidos los quarks dentro de los núcleos atómicos. Los protones y neutrones están formados, cada uno, por 3 quarks que se mantienen unidos gracias a los gluones (El gluón es la partícula portadora de interacción nuclear fuerte, fuerza que mantiene unida los núcleos atómicos). A temperaturas superiores se vence la fuerza nuclear fuerte y los protones y neutrones se dividen, formando esta sopa denominada plasma Gluón-Quark.

Pero por ahora aquí, nos vamos a quedar con los quarks al natural. Normalmente, los quarks no se encuentra en un estado separados, sino que en grupos de dos o tres. Asimismo, la duración de las vidas medias de las partículas, antes de decaer en otras, es muy variable (ver tablas).

Por otra parte, las partículas presentan una o más de las siguientes interacciones o fuerzas fundamentales entre ellas. Por un lado se tiene la gravitación y el electromagnetismo, conocidas de la vida cotidiana. Hay otras dos fuerzas, menos familiares, que son de tipo nuclear y se conocen como interacciones fuertes y débiles.

La gravitación afecta a todas las partículas, es una interacción universal. Todo cuerpo que tiene masa o energía está sometido a esta fuerza. Aunque es la más débil de las interacciones, como las masas son siempre positivas y su alcance es infinito, su efecto es acumulativo. Por ello, la gravitación es la fuerza más importante en cosmología.

                            Los campos magnéticos están presentes por todo el Universo

La fuerza electromagnética se manifiesta entre partículas con cargas eléctricas. A diferencia de las demás, puede ser de atracción (entre cargas de signos opuestos) o de repulsión (cargas iguales). Esta fuerza es responsable de la cohesión del átomo y las moléculas. Mantiene los objetos cotidianos como entidades con forma propia. Un vaso, una piedra, un auto, el cuerpo humano. Es mucho más fuerte que la gravitación y aunque es de alcance infinito, las cargas de distinto signo se compensan y sus efectos no operan a grandes distancias. Dependiendo de las circunstancias en que actúen, estas interacciones pueden manifestarse como fuerzas eléctricas o magnéticas solamente, o como una mezcla de ambos tipos.

La Fuerza Nuclear Débil: otra fuerza nuclear, considerada mucho más débil que la Fuerza Nuclear Fuerte. El fenómeno de decaimiento aleatorio de la población de las partículas subatómicas (la radioactividad) era difícil de explicar hasta que el concepto de esta fuerza nuclear adicional fue introducido.

La interacción nuclear débil es causa de la radioactividad natural y la desintegración del neutrón. Tiene un rol capital en las reacciones de fusión del hidrógeno y otros elementos en el centro de las estrellas y del Sol. La intensidad es débil comparada con las fuerzas eléctricas y las interacciones fuertes. Su alcance es muy pequeño, sólo del orden de 10^-15 cm.

La interacción fuerte es responsable de la cohesión de los núcleos atómicos. Tiene la intensidad más elevada de todas ellas, pero es también de corto alcance: del orden de 10^-13 cm. Es posible caracterizar las intensidades de las interacciones por un número de acoplamiento a, sin dimensión, lo que permite compararlas directamente:

Fuerte a_s = 15

Electromagnéticas a = 7,3 x 10^-3

Débil a_w 3,1 x 10^-12

Gravitacional a_G = 5,9 x 10^-39

Por otro lado, la mecánica cuántica considera que la interacción de dos partículas se realiza por el intercambio de otras llamadas «virtuales». Tienen ese nombre porque no son observables: existen por un tiempo brevísimo, tanto más corto cuanto mayor sea su masa, siempre que no se viole el principio de incertidumbre de Heisenberg de la teoría cuántica (que en este contexto dice que el producto de la incertidumbre de la energía por el tiempo de vida debe ser igual o mayor que una constante muy pequeña). Desaparecen antes de que haya tiempo para que su interacción con otras partículas delate su existencia.

                                 El fotón  virtual común se desplaza hacia la partícula menos energética.

Dos partículas interactúan al emitir una de ellas una partícula virtual que es absorbida por la otra. Su emisión y absorción cambia el estado de movimiento de las originales: están en interacción. Mientras menos masa tiene la partícula virtual, más lejos llega, mayor es el rango de la interacción. El alcance de la interacción es inversamente proporcional a la masa de la partícula portadora o intermedia. Por ejemplo, la partícula portadora de la fuerza electromagnética es el fotón, de masa nula y, por lo tanto, alcance infinito. La interacción gravitacional también tiene alcance infinito y debe corresponder a una partícula de masa nula: se le denomina gravitón. Naturalmente tiene que ser neutro. (Aún no ha sido vistos ni en pelea de perros).

Como ya hicimos mención de ello, a las fuerzas nucleares se les asocian también partículas portadoras. Para la interacción débil estas partículas se llaman bosones intermedios, expresados como W+, W- y Zº (neutro). El W- es antipartícula del W+. Los W tienen masas elevadas comparadas con las otras partículas elementales. Lo de bosones les viene porque tienen spin entero, como el fotón y el gravitón, que también los son, pero que tienen masas nulas. Las fuerzas fuertes son mediadas por unas partículas conocidas como gluones, de los cuales habría ocho. Sin embargo, ellos no tienen masa, pero tienen algunas de las propiedades de los quarks, que les permiten interactuar entre ellos mismos. Hasta ahora no se han observado gluones propiamente tal, ya que lo que mencionamos en párrafos anteriores corresponde a un estado de la materia a la que llamamos plasma. Claro está, que es posible que un tiempo más se puedan detectar gluones libres cuando se logre aumentar, aún más, la temperatura, como está previsto hacerlo en el acelerador bautizado como “Relativistic Heavy Ion Collider”, empotrado en Estados Unidos de Norteamérica.

TABLA DE LAS PRINCIPALES PROPIEDADES DE LAS PARTÍCULAS PORTADORAS DE LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES

Una partícula y su antipartícula no pueden coexistir si están suficientemente cerca como para interactuar. Si ello ocurre, ellas se destruyen mutuamente: hay aniquilación de las partículas. El resultado es radiación electromagnética de alta energía, formada por fotones gamma. Así, si un electrón está cercano a un positrón se aniquilan en rayos gamma. Igual con un par protón-antiprotón muy próximos.

La reacción inversa también se presenta. Se llama «materialización o creación de partículas» de un par partícula-antipartícula a partir de fotones, pero se requieren condiciones físicas rigurosas. Es necesario que se creen pares partícula-antipartícula y que los fotones tengan una energía mayor que las masas en reposo de la partículas creadas. Por esta razón, se requieren fotones de muy alta energía, de acuerdo a la relación de Einstein E=mc2 . Para dar nacimiento a electrones/positrones es necesario un campo de radiación de temperaturas mayores a 7×10⁹ °K. Para hacer lo mismo con pares protón/antiprotón es necesario que ellas sean superiores a 2×10¹² °K. Temperaturas de este tipo se producen en los primeros instantes del universo.

Se detectan grandes emisiones de rayos gamma en explosiones supernovas y otros objetos energéticos

Los rayos gamma están presentes en explosiones de supernovas, colisión de estrellas de neutrones… Todos los sucesos de altas energías los hace presente para que nuestros ingenios los detecten y podamos conocer lo que la materia esconde en lo más profundo de sus “entrañas”. Aún no hemos podido conocer en profundidad la materia ni sabemos, tampoco, lo que realmente es la luz.

emilio silvera

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Vista del interior de uno de los detectores de partículas del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Ginebra, Suiza.

(1) El bosón de Higgs era una de las últimas piezas del puzzle que compone el Modelo Estándar de la Física. Su hallazgo en 2012 se publicó con una certeza de cinco sigmas, es decir con un 99,9% de probabilidades de que se trate del verdadero bosón de Higgs del Modelo Estándar. Así que aún falta completar el análisis de sus propiedades para asegurar al 100% que se trata de la esquiva partícula y no de otro tipo de bosón. Pero si la ronda de colisiones que se están produciendo hoy en día en el LHC (el Gran Colisionador de Hadrones del CERN de Ginebra) confirma los resultados, se podría dar por cerrado el marco conceptual que rige la física conocida.

Pero (según nos dicen), eso sólo explicaría el 5% del Universo. El 95% restante son preguntas abiertas que aún no sabemos contestar: ¿Qué es la materia oscura? ¿Por qué existe una asimetría entre la materia y la antimateria? ¿Qué es la energía oscura que supone el 70% del Cosmos?… Para responder a esas cuestiones los físicos necesitan aceleradores capaces de imitar lo más posible las condiciones que se dieron instantes después del Big Bang, cuando las colisiones de partículas se producían con una energía inmensa.

                Llegar más allá de los Quarks

Por ese motivo, el siguiente proyecto que está desarrollando el CERN (el laboratorio europeo de física de partículas) busca multiplicar casi por 10 la energía del acelerador actual, aumentando desde los 13 TeV hasta los 100 TeV. De acuerdo con la más que célebre formulación de Albert Einstein -E=mc2-, se trata de incrementar la energía para generar partículas con mayores masas, más parecidas a las que se generaron tras el Big Bang. Eso abriría una nueva ventana hacia el universo desconocido y permitiría avanzar en el conocimiento de las partículas que forman la materia oscura o, quizá, permita saber por dónde empezar para estudiar la energía oscura, uno de los mayores misterios del Universo a los que los físicos aún no saben ni cómo meter mano. «O quizá encontremos algo completamente nuevo que no está aún en los lápices de los físicos teóricos. Y eso también sería genial», comentó el exdirector del CERN, Rolf Heuer, a este diario.

“ALBA es un sincrotrón, de la red de Infraestructura Científico y Técnica Singular (ICTS) española que está emplazado en Barcelona (Cataluña, España), en el campus de la Universidad Autónoma de Barcelona en Cerdañola del Vallés. La construcción fue cofinanciada a cargo de los presupuestos del Gobierno de España y de la Generalidad de Cataluña. La planificación de las obras y su posterior explotación se llevó a cabo por el Consorcio para la Construcción, Equipamiento y Explotación del Laboratorio de Luz de Sincrotrón (CELLS) con sede en Bellaterra. Esta instalación de última generación permitirá a la comunidad científica española desarrollar investigaciones en el estudio fundamental de la materia para su comprensión y beneficio humano.”

«Es una gran infraestructura que nos tiene que llevar al siguiente paso del conocimiento. Es de una dimensión de casi 4 veces mayor que el LHC y tendrá que ser construido con grandes retos tecnológicos», explicó Francis Pérez, jefe de aceleradores del sincrotrón ALBA de Barcelona, en la presentación de la conferencia El Futuro Colisionador Circular: desafíos técnicos y detectores impartida por Michael Benedikt, jefe del Estudio del Futuro Colisionador Circular, y por José Miguel Jiménez, director del Departamento de Tecnología del CERN, en la Fundación BBVA.

De momento, es un proyecto en fase de estudio, no es una iniciativa financiada que esté ya en marcha. Pero el grupo que lidera Benedikt ya tiene muy avanzada una propuesta para construir un gran acelerador de partículas en un túnel de 100 kilómetros de diámetro en el área de Ginebra. La idea es aprovechar las instalaciones que ya existen en el CERN, que podrían servir como inyectores del futuro colisionador que se instalaría en la misma localización en la que se encuentra el LHC, de 27 kilómetros de diámetro.

Fuente: El Mundo

(1) Los parámetros aleatorios y metidos con calzador en el Modelo estándar eran 20, y, al descubrir el Boson de Higgs, quedaron en 19 (mucho es lo que nos queda por saber).

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