Científicos Mexicanos y la Teoría de Cuerdas

Por Verenise Sánchez

(Agencia Informativa Conacyt).- Después de siete años de trabajo de cientos de físicos teóricos y experimentales, ingenieros y programadores de diversos países, incluidos mexicanos, recientemente se dio a conocer el descubrimiento del plasma de quarks y gluones, la misteriosa “sopa primordial” en colisión de protones.

La sorpresa es que esta sopa, de la cual provenimos nosotros y toda la materia a nuestro alrededor, y que se formó una millonésima de segundo después de la Gran Explosión que dio origen al universo, se encontró en colisiones de protones, ya que hasta el momento solo se había recreado en colisiones de iones pesados.

Este hallazgo, que reportó el experimento A Large Ion Collider Experiment (ALICE) del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) en la prestigiada revista Nature, se suma a otras novedades que han surgido del estudio del plasma de quarks y gluones en años recientes, incluido el hecho de que esta sopa pudiera representar el primer acercamiento experimental de la teoría de cuerdas.

No hay verdades absolutas

En la ciencia no hay verdades absolutas. Los avances científicos que revolucionan el conocimiento se pueden dar en cualquier parte, e incluso en aquellas que ya se creían exploradas, lo cual quizás sea uno de los aspectos más excitantes para los científicos.

Tal es el caso del plasma de quarks y gluones (QGP, por sus siglas en inglés) que es como una sopa caliente, en la cual los protones y neutrones de los que estamos hechos están derretidos en sus componentes más básicos.

Producir este plasma es una verdadera hazaña porque hace falta generar temperaturas de billones de grados, es decir, cien mil veces más altas que las que existen en el centro del sol.

Tras décadas de esfuerzo, esto se logró con choques muy violentos de iones pesados (normalmente núcleos de plomo o de oro), en varios colisionadores de partículas, incluyendo el LHC.

Pero lo que recientemente sorprendió a los físicos es que se han encontrado evidencias de que el QGP se logra producir también en algunas colisiones de protones, lo cual es completamente extraño, ninguna teoría lo predice.

De hecho, el estudio de colisiones de protones no es una de las temáticas principales de ALICE, incluso en la jerga de los físicos y en los pasillos del LHC se decía que los estudios de las colisiones de protones eran estudios “de sesgo mínimo”, es decir, que no había muchas cosas nuevas que ver ahí.

“Mira cómo son las cosas, que ALICE viene a encontrar en colisiones de protones algo interesante (…) Y es que la ciencia es así, en donde tú piensas que ya no hay nada más que observar, te da la sorpresa”, así lo expresó Gerardo Herrera Corral, coordinador del grupo mexicano en el experimento ALICE.

¿Qué es la teoría de cuerdas?

La teoría de cuerdas es una propuesta para describir el origen microscópico de la gravedad, y propone que las partículas elementales que conocemos en la naturaleza, vistas muy de cerca, son en realidad cuerdas vibrantes y rotantes mucho más pequeñas que los núcleos atómicos, explicó Óscar Loaiza Brito, investigador del Departamento de Física, de la Universidad de Guanajuato, campus León.

A muy grandes rasgos, esta teoría propone que cada frecuencia de vibración de las cuerdas, como cada frecuencia de las cuerdas de una guitarra, corresponde a una partícula diferente, con sus propias características.

De esta manera, las cuerdas podrían describir simultáneamente a las partículas responsables de las cuatro fuerzas de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte, indicó el físico teórico especialista en teoría de cuerdas.

Un viaje a las cinco dimensiones de Maldacena

Pero ¿cómo se relaciona esta teoría con el plasma de quarks y gluones? Pues resulta que “muy inesperadamente, el estudio del QGP ha tenido un impacto sobre las investigaciones en teoría de cuerdas, y viceversa”, explicó el investigador Alberto Güijosa Hidalgo, del Instituto de Ciencias Nucleares, de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).

“La aplicación más famosa y más ambiciosa de la teoría de cuerdas es darnos una sola teoría que explique absolutamente todo lo que existe en el universo. Aunque hay muchos indicios prometedores, no sabemos si esa meta se logrará o no algún día. Pero en donde la teoría de cuerdas ya tuvo éxito es en otra aplicación muy diferente, menos ambiciosa, donde se le utiliza como una herramienta para tratar de entender una cosa a la vez”.

Los quarks y los gluones interactúan entre sí a través de la fuerza fuerte, llamada así porque en muchas circunstancias de interés es muy intensa, es el “pegamento” más fuerte del universo. El aspecto más interesante del QGP que se encuentra en los experimentos es precisamente que la fuerza fuerte que opera entre sus constituyentes (quarks y gluones) es muy intensa, lo cual hace imposible analizar muchas de sus propiedades con los métodos tradicionales de la física de partículas.

No obstante, hace 20 años, el físico argentino Juan Maldacena, del Instituto para Estudios Avanzados en Princeton, Estados Unidos, hizo un revolucionario descubrimiento conocido como la correspondencia holográfica (o AdS/CFT), “que cambió radicalmente nuestra comprensión de la física teórica, y entre muchas otras cosas ha permitido estimar los valores de algunas propiedades del plasma de quarks y gluones, como por ejemplo, su viscosidad”, indicó Güijosa Hidalgo.

“Lo que es increíble es que estos estudios han tenido cierto éxito a pesar de que el cálculo procede traduciendo la situación de interés a otro lenguaje que a primera vista parece totalmente distinto. En específico, después de la traducción, el QGP se convierte en un hoyo negro que vive en más dimensiones”, señaló.

Estudiando las propiedades de ese hoyo negro, se pueden entonces hacer cálculos sobre el plasma que serían imposibles de realizar con otras técnicas. Por ejemplo, la viscosidad del QGP se determina calculando qué tan probable es que el hoyo negro absorba gravitones —partículas mensajeras de la fuerza de gravedad.

“Quizás esto suena completamente absurdo, pero una y otra vez, los resultados son cercanos a los que se extraen a partir de datos experimentales del QGP”, indicó Güijosa Hidalgo, miembro nivel II del SNI.

CONACYT