La teoría de cuerdas en manos del LHC

Un físico teórico de la Universidad de Harvard ha discutido con los científicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, Large Hadron Collider) en Suiza la posibilidad de que puedan descubrir una hipotética partícula "stau" (una partícula prevista por la supersimetría, asociada a la partícula "tau", perteneciente la primera a los sleptones y la segunda a los leptones), con un tiempo de vida de alrededor de un minuto, que podría proporcionar la primera confirmación experimental de la teoría de cuerdas.

La teoría de cuerdas, desarrollada en la década de 1960 y 70, es una multiherramienta de los físicos teóricos, que explica en un modelo único y consistente las cuatro principales fuerzas del universo: la gravedad, el electromagnetismo y las dos cuyo alcance está restringido a los núcleos de los átomos: la fuerza fuerte y la fuerza débil.
Sin la teoría de cuerdas, los físicos necesitan dos teorías para explicar cómo funciona el universo. La relatividad general para la gravedad, y el "modelo estándar" para las otras tres fuerzas básicas. Por otra parte, la gravedad ha sido muy difícil de conciliar con la teoría cuántica, un problema para el que la teoría de cuerdas ofrece una solución.

Un problema importante con la teoría de cuerdas, sin embargo, es que nunca ha sido confirmada experimentalmente, es aquí donde el profesor de Ciencia Cumrun Vafa y el Large Hadron Collider (LHC) entran en escena.
Varios años de trabajo con el estudiante de doctorado Jonathan Heckman, quien se graduó en junio, y otros colegas, ha llevado a Vafa a sugerir que una partícula cuyas propiedades son predichas por la teoría de cuerdas puede ser detectable en los niveles de energía producidos por el LHC.
El LHC es el colisionador de partículas más grande del mundo, situado en un anillo subterráneo de 27 kilómetros de largo en la frontera entre Suiza y Francia. Una vez que esté en pleno funcionamiento, debe ser capaz de colisionar los haces de protones unos contra otros con una energía de 14 TeV (14x10¹² electrón volt), siete veces más potente que el colisionador actual de mayor poder, el Tevatron del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), en Illinois.

Después de problemas técnicos y fallos del equipo, que estropearon el inicio de los experimentos del LHC el año pasado, los operadores lo están intentando de nuevo este mes. A finales de octubre, los científicos del CERN, la Organización Europea de Investigación Nuclear, estaban celebrando el ingreso de las primeras partículas en los sectores del acelerador por primera vez desde que fue apagado.
Los operadores esperan una rampa gradual de incremento de la actividad, en primer lugar haciendo circular haces de partículas, a continuación, creando colisiones de baja energía, y aumentando lentamente la energía de las colisiones. Vafa no es el único miembro de la Universidad de Harvard esperando impacientemente el comienzo del LHC. Físicos experimentales de esa universidad han dado una mano para construir ATLAS, uno de los dos detectores principales del acelerador. Otros físicos teóricos, como Lisa Randall, Profesora Frank Baird Jr. de Ciencia, y Howard Georgi, Profesor Mallinckrodt de Física, también esperan la luz con la que el LHC pueda iluminar su trabajo.

La mayoría de los físicos esperan que el LHC descubrirá la evasiva partícula conocida como bosón de "Higgs", que sería el origen de la masa de todas las partículas conocidas. Una cuestión pendiente más importante es lo que el LHC mismo podría descubrir. Vafa viajó al CERN a finales de octubre para discutir con los equipos de científicos de los dos detectores principales sobre qué otra cosa podrían ver. Si las hipótesis que él y Heckman hacen en el contexto de la teoría de cuerdas son válidas, dijo Vafa, las dos más ligeras de las nuevas partículas son el Gravitino y el stau. El Gravitino, sin embargo, es tan débil en su interactividad que es difícil de producir directamente, dijo Vafa. La partícula stau, sin embargo, es más fácil de generar y debe ser semiestable, duradera, en el orden del minuto. Y debe dejar una huella identificable -no explicable por alguna de las partículas ya observadas- como rayas en los detectores del LHC.

"Sería el arma humeante de nuestros modelos de cuerdas" dijo Vafa.
Mientras el trabajo de Vafa y Heckman predice que hay una buena probabilidad de generar una partícula stau, también hay una posibilidad menos probable que sea generada una partícula neutra semi-estable. Si la partícula resulta neutral, no se manifestará en una forma que los detectores del LHC puedan ver. Todavía se puede encontrar, pero de forma indirecta. Si la partícula se crea y se escapa del acelerador, se manifestará como energía faltante y podría ser ubicada en los cálculos científicas de sus resultados experimentales.

Vafa y Heckman llevan sus conclusiones acerca de la particula stau para resolver las muchas posibilidades en la teoría de cuerdas. Una de las dificultades de la teoría, dijo Vafa, es su flexibilidad. La teoría de cuerdas tiene cientos de variables, que describió como "discos de sintonizador" que los físicos pueden llevar hacia arriba y hacia abajo para generar innumerables universos posibles.
Mientras que es interesante para los teóricos, dijo Vafa, también puede enturbiar la búsqueda teórica de un universo: el nuestro.
Vafa y Heckman idearon dos restricciones que redujeron en gran medida los universos de cuerdas posibles. En primer lugar, ellos supusieron que la gravedad no tiene que jugar un papel en la unificación de las otras tres fuerzas. Y en segundo lugar, supusieron que una característica de la teoría de cuerdas, llamada supersimetría, está presente en los niveles de energía generada por el LHC.

Si la teoría de cuerdas es correcta, nuestro universo no está hecho de partículas, como generalmente se ha enseñado, sino de pequeñas cuerdas vibrantes. Las diferentes vibraciones se manifiestan como las familiares partículas y fuerzas que los estudiantes aprenden en la clase de física.

Además de la capacidad de la teoría de cuerdas para abarcar la gravedad y las otras fuerzas en un único marco, también puede llenar una segunda brecha teórica importante en la comprensión del universo, explicando la existencia y naturaleza de toda la materia que "falta".
La conocida constelación de partículas de las teorías convencionales -electrones, quarks, neutrinos, y el resto de ellas- sólo puede dar cuenta de una sexta parte de la materia en el universo. El resto está constituido por la hipotética "materia oscura", cuya naturaleza sigue siendo desconocida.
La materia oscura se explica en la teoría de cuerdas por el concepto de la supersimetría. La supersimetría, que fue descubierta en el contexto de la teoría de cuerdas, sostiene que para cada partícula conocida hay una partícula correspondiente de giro diferente. En el momento del Big Bang, dice la teoría, las partículas apareadas tenían propiedades similares, como la masa y la carga, sin embargo, cuando el universo se enfrió, la simetría fue quebrada. Ahora, según la teoría, en nuestro universo con la simetría quebrada, las partículas supersimétricas tienen masas muy superiores a sus asociadas conocidas. Esta mayor masa también explicaría por qué los científicos no las han visto aún, ya que los colisionadores de partículas deben generar más energía de la que han sido capaces de alcanzar hasta hoy para crearlas. En los modelos de cuerdas de Vafa y Heckman, el Gravitino, que se prevé será cien veces más masivo que el electrón, comprende la mayor parte de la materia oscura.
Con la puesta en marcha del LHC, dijo Vafa, la ciencia puede estar en el umbral de las energías necesarias para crear nuevas partículas supersimétricas, y de obtener una nueva comprensión del universo.

"Creo que es probablemente el experimento más apasionante que veremos en nuestras vidas", dijo Vafa del LHC. "Estaremos contentos por todo lo que se encuentre - se confirmen o no nuestras predicciones - porque es la verdad de la naturaleza, y nos enseñará sobre las maneras fundamentales en que la naturaleza trabaja."

Traducción libre de:
A line on string theory. Harvard Gazette

Datos útiles relacionados:
• Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN)
• Modelo estándar de física de partículas
• Teoría de cuerdas

Imagen:
Fotografía: Cumrun Vafa. Crédito: Universidad de Harvard.