Una simetría de infinitas dimensiones abre la vía a una nueva Física

19/11/2018

diarioabierto.es. Las simetrías que gobiernan el mundo de las partículas elementales en el nivel más elemental podrían ser radicalmente diferentes de lo que se ha pensado hasta ahora.

Esta sorprendente conclusión surge de un nuevo trabajo publicado por teóricos de las universidades de Varsovia y Potsdam. El esquema que postulan unifica todas las fuerzas de la naturaleza de una manera que es consistente con las observaciones existentes y anticipa la existencia de nuevas partículas con propiedades inusuales que incluso pueden estar presentes en nuestros alrededores.

Durante medio siglo, los físicos han estado tratando de construir una teoría que une las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, que describe las partículas elementales conocidas y predice la existencia de otras nuevas. Hasta ahora, estos intentos no han encontrado confirmación experimental, y el Modelo Estándar, una construcción teórica incompleta pero sorprendentemente efectiva, sigue siendo la mejor descripción del mundo cuántico.

En un artículo reciente en Physical Review Letters, el profesor Krzysztof Meissner, del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Varsovia, y Hermann Nicolai, del Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik en Potsdam presentaron un nuevo esquema de generalización del Modelo Estándar que incorpora la gravitación en la descripción. El nuevo modelo aplica un tipo de simetría que no se usaba anteriormente en la descripción de las partículas elementales.

En física, las simetrías se entienden de manera algo diferente que en el sentido coloquial de la palabra. Por ejemplo, ya sea que una bola caiga ahora o dentro de un minuto, seguirá cayendo de la misma manera. Esa es una manifestación de cierta simetría: las leyes de la física permanecen sin cambios con respecto a los cambios en el tiempo. De manera similar, dejar caer la pelota desde la misma altura en una ubicación tiene el mismo resultado que dejarla caer en otra. Esto significa que las leyes de la física también son simétricas con respecto al espacio.

Las simetrías desempeñan un gran papel en la física porque están relacionadas con los principios de conservación. Por ejemplo, el principio de conservación de la energía implica simetría con respecto a los cambios en el tiempo, el principio de conservación del momento se relaciona con la simetría del desplazamiento espacial, y el principio de la conservación del momento angular se relaciona con la simetría rotacional”, dice Meissner.

El desarrollo de una teoría supersimétrica para describir las simetrías entre fermiones y bosones comenzó en la década de 1970. Los fermiones son partículas elementales cuyo espín, una propiedad cuántica relacionada con la rotación, se expresa en múltiplos impares de la fracción 1/2, e incluye quarks y leptones. Entre estos últimos se encuentran los electrones, muones, tauones y sus neutrinos asociados (así como sus antipartículas). Los protones y neutrones, partículas comunes no elementales, también son fermiones. Los bosones, a su vez, son partículas con valores de espín entero. Incluyen las partículas responsables de las fuerzas (fotones, portadores de la fuerza electromagnética; gluones, que llevan la fuerza nuclear fuerte; los bosones W y Z, que llevan la fuerza nuclear débil), así como el bosón de Higgs.

Las primeras teorías supersimétricas intentaron combinar las fuerzas típicas de las partículas elementales, es decir, la fuerza electromagnética con una simetría conocida como U (1), la fuerza débil con la simetría SU (2) y la fuerza fuerte con la simetría SU (3) Todavía faltaba la gravedad “, dice el profesor Meissner. “La simetría entre los bosones y los fermiones aún era global, lo que significa lo mismo en cada punto del espacio. Poco después, se plantearon teorías donde la simetría era local, lo que significa que podría manifestarse de manera diferente en cada punto del espacio. Asegurar tal simetría en la teoría requerida para la gravitación debía ser incluida, y esas teorías se conocieron como supergravedad “.

Los físicos notaron que en las teorías de supergravedad en cuatro dimensiones espaciotemporales, no puede haber más de ocho rotaciones supersimétricas diferentes. Cada una de estas teorías tiene un conjunto de campos estrictamente definido (grados de libertad) con diferentes giros (0, 1/2, 1, 3/2 y 2), conocidos respectivamente como los campos de los escalares, fermiones, bosones, gravitinos y gravitones.

Para la supergravedad N = 8, que tiene el número máximo de rotaciones, hay 48 fermiones (con giro 1/2), que es precisamente el número de grados de libertad requeridos para dar cuenta de los seis tipos de quarks y seis tipos de leptones observados en naturaleza. Por lo tanto, hubo todas las indicaciones de que la supergravedad N = 8 es excepcional en muchos aspectos. Sin embargo, no fue ideal.

Uno de los problemas en la incorporación del modelo estándar en la supergravedad N = 8 fue la de las cargas eléctricas de los quarks y leptones. Todas las cargas resultaron ser desplazadas en 1/6 con respecto a las observadas en la naturaleza: el electrón tenía una carga de -5/6 en lugar de -1, el neutrino tenía 1/6 en lugar de 0, etc. Este problema, observado por primera vez por Murray Gell-Mann hace más de 30 años, no se resolvió hasta 2015, cuando los profesores Meissner y Nicolai presentaron el mecanismo respectivo para modificar la simetría U (1).

Después de realizar este ajuste, obtuvimos una estructura con las simetrías U (1) y SU (3) conocidas del Modelo Estándar. El enfoque demostró ser muy diferente de todos los otros intentos de generalizar las simetrías del Modelo Estándar. La motivación era fortalecida por el hecho de que el acelerador de LHC no produjo nada más allá del Modelo estándar y el contenido del fermión de supergravedad N = 8 es compatible con esta observación.

Lo que faltaba era agregar el grupo SU (2), responsable de la fuerza nuclear débil.  Eso explicaría por qué todos los intentos anteriores de detección de nuevas partículas, motivados por teorías que trataron la simetría de la SU (2) como violadas espontáneamente por bajas energías, se mantuvieron en el rango alto. Las energías tuvieron que ser infructuosas. Desde nuestro punto de vista, SU (2) es solo una aproximación para las energías altas y bajas“, explica Meissner.

Tanto el mecanismo que reconcilia las cargas eléctricas de las partículas como la mejora que incorpora la fuerza débil demostraron pertenecer a un grupo de simetría conocido como E10. A diferencia de los grupos de simetría utilizados anteriormente en las teorías de unificación, E10 es un grupo infinito, muy poco estudiado incluso en el sentido puramente matemático. El profesor Nicolai con Thibault Damour y Marc Henneaux habían trabajado en este grupo antes, porque aparecía como una simetría en la supergravedad N = 8 en condiciones similares a las de los primeros momentos después del Big Bang, cuando solo una dimensión era significativa: el tiempo.

“Por primera vez, tenemos un esquema que anticipa con precisión la composición de los fermiones en el Modelo Estándar (quarks y leptones) y lo hace con las cargas eléctricas adecuadas. Al mismo tiempo, incluye la gravedad en la descripción. Es una gran sorpresa que la simetría adecuada sea el asombroso grupo de simetría E10, virtualmente desconocido matemáticamente. Si el trabajo adicional confirma el papel de este grupo, eso significará un cambio radical en nuestro conocimiento de las simetrías de la naturaleza”, dice Meissner.

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