La teoría del todo al alcance de una partícula 💢

Después de varias semanas de inactividad del blog, hoy volvemos con una entrada hablando nuevamente de física. En este caso daremos la bienvenida a lo que en un futuro será un tema bastante comentado por aquí: El Modelo Estándar de la Física de Partículas. 

Hace varios meses me surgió la oportunidad de participar en el concurso de divulgación científica que realiza todos los años el CPAN. Aunque no he conseguido ningún premio, me apetecía compartir con vosotros el artículo científico que elaboré y cuyo título es el de esta entrada. Os lo dejo a continuación y espero que os guste.

La historia de la física es extraordinariamente larga y se remonta hasta hace miles de años, pero ha habido periodos que sin duda han marcado un antes y un después, no sólo en la manera de hacer ciencia, sino en la forma de entenderla. Una de esas grandes revoluciones tiene lugar en el siglo XX, cuando se introdujeron las teorías de la relatividad de Einstein y las primeras nociones de la mecánica cuántica, impulsadas por Planck y Heisenberg, entre otros. Desde entonces ambas teorías han luchado para ser entendidas en sí mismas y lo que es aún más importante, por encajar y poder explicar la naturaleza de la misma forma. En este artículo nos adentraremos en lo que podría ser una de las claves para unificar la física: el gravitón. 

Los físicos siempre han tenido un afán insaciable por averiguar cuál era la unidad más pequeña e indivisible en la que podía dividirse la materia. Los trabajos de Dalton, Thompson y Rutherford arrojaron luz sobre esta cuestión, pero no fue hasta Bohr, Sommerfeld y Schrödinger que se introdujeron la cuantización del átomo y el comportamiento ondulatorio y probabilista de los electrones. Fue precisamente por estos avances que se empezó a gestar una nueva teoría que trataba de aplicar estos principios cuánticos a la teoría clásica de campos (1) promovida por Faraday. Recibió el nombre de teoría cuántica de campos, o por sus siglas en inglés QFT, y hasta nuestros días es el marco teórico del modelo que empleamos para describir la naturaleza: el modelo estándar, donde se agrupan todas las partículas responsables de las interacciones y composición de la materia. Se entiende, por tanto, que los campos continuos son equivalentes a sistemas de partículas que pueden crearse o destruirse. Fue este concepto de discretizar un ente que se trataba como continuo lo que supuso una gran conmoción en la comunidad científica, que aún perdura hasta hoy.

INCOMPLETITUD DEL MODELO ESTÁNDAR 

El modelo estándar divide a las partículas en dos grandes grupos: los fermiones y los bosones. Los primeros a su vez se dividen en quarks y leptones, y son considerados constituyentes básicos de la materia, interactuando entre sí por medio del intercambio de bosones, que son los portadores de las fuerzas fundamentales. Entre ellos, se encuentran el bosón de Higgs, el gluon, el fotón y los bosones Z y W, responsables del mecanismo de generación de masa, de la fuerza fuerte, del electromagnetismo y de la fuerza débil, respectivamente. De esta forma, en QFT cada interacción fundamental posee su partícula mediadora (2) y, a pesar de que este concepto está muy asentado en la física moderna, dicha interpretación de las fuerzas supone que el modelo estándar sea una teoría incompleta pues no parece considerar ninguna partícula mediadora para la interacción gravitatoria. Es en este punto donde parece natural introducir la pieza que aparentemente falta: el gravitón, y así el modelo estándar quedaría completo. Pero podemos ver que muchos problemas surgen de suponer la existencia de esta partícula.

Primero, la teoría actual que se emplea para describir a la gravedad (la Relatividad General de Einstein) la considera un efecto adverso de la deformación del tejido del espacio-tiempo debido a la presencia de energía, teniendo esta la capacidad de modificar su geometría y curvarlo en regiones próximas a ella. Y, además, en el plano teórico, esta descripción no acepta una adaptación cuántica por medio de transmisión de partículas porque en este punto las matemáticas actuales fallan (3) . Sin embargo, dentro del plano experimental no podemos descartar su existencia pues, aunque no lo hayamos detectado, esto puede deberse a que la gravedad es 40 órdenes de magnitud más débil que el resto de las fuerzas fundamentales, lo cual supone que el hipotético gravitón posea una energía tan baja que con la tecnología actual resulte imposible su medición.

CARACTERÍSTICAS DEL GRAVITÓN 

A pesar de no poder asegurar la existencia del gravitón, los físicos le han atribuido determinadas características de acuerdo con las propiedades del campo gravitatorio. Por ser el mediador de una interacción (bosón) y según las funciones de onda que establece la mecánica cuántica, debe tener espín (4) entero (en este caso es 2 pues el campo gravitatorio está asociado a un campo tensorial del mismo orden (5) ). En cuanto a su alcance, este es sumamente grande (de hecho, se cree que es infinito, al igual que la luz), y consecuentemente su masa sería minúscula (menor del orden de 10-69 , es decir, cien billones de cuatrillones de veces más ligero que un electrón). En caso de confirmarse el alcance infinito se deduciría que su masa sería exactamente 0 y, en consonancia con la luz, el gravitón se propagaría a la velocidad de esta. Además, por tener el espacio vacío carga eléctrica nula, el gravitón, que actúa a través de él, tampoco la tendría. Lo interesante de esta cuestión es que el recíproco de estas afirmaciones también es cierto, es decir, si se detectase alguna partícula que posea espín 2 y que su comportamiento sea similar al descrito anteriormente, los físicos habrían logrado encontrar al gravitón.

 AGUJEROS NEGROS Y ONDAS GRAVITACIONALES 

Llegados a este punto, podemos ver que el modelo de gravedad cuántica no logra unificar los dos marcos teóricos que hasta ahora se distinguían a la hora de abordar problemas de física: el mundo de las pequeñas distancias, en el que la gravedad es muy débil, y el mundo de las grandes distancias, donde el mundo cuántico no interviene. Esto se debe a que, al igual que la gravedad no admite una descripción cuántica (al menos con las matemáticas actuales), el resto de las fuerzas tampoco aceptan una descripción geométrica basada en la deformación del espacio-tiempo. Y esta cuestión no supone ningún problema en el día a día de un físico salvo en aquellos lugares donde ambos mundos se encuentran y la gravedad y los efectos cuánticos intervienen de forma simultánea: los agujeros negros. 

Los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo que concentran una gran cantidad de materia y energía generando un campo gravitatorio tal que ninguna partícula que entra en él puede escapar, por lo que estudiar en detalle y experimentar con estos cuerpos podría ser una de las claves para detectar los gravitones. No obstante, parece interesante poner el foco en otros eventos cósmicos que concentran aún más energía, como la colisión acelerada de dos agujeros negros, pues esta genera grandes fluctuaciones en la curvatura del espaciotiempo que se propagan por él a la velocidad de la luz. Este fenómeno, predicho por la Relatividad General, recibe el nombre de ondas gravitacionales, y la primera que se detectó fue en 2015 en EEUU gracias al observatorio LIGO. Actualmente existen innumerables proyectos de investigación que giran en torno a ellas porque, si la teoría que hemos descrito en este artículo resultase ser cierta, la tecnología nos permitiría detectar enormes flujos de partículas en estas perturbaciones, demostrando así finalmente la existencia del gravitón. 

Después de profundizar en los puntos débiles de las teorías físicas actuales, no cabe duda de que aún queda un largo camino por recorrer para dar una explicación completa y consistente sobre la naturaleza. La ciencia del siglo XXI tiene muchos retos a los que hacer frente, y solo se podrán superar con una nueva revolución científica y el desarrollo de nuevas matemáticas. Teorías emergentes, como la teoría de cuerdas o la teoría M, parecen ser muy prometedoras al poder explicar propiedades de la naturaleza en términos geométricos, aunque lo cierto es que actualmente no son más que un conjunto de hipótesis que no han podido ser demostradas. Mientras, la física y las matemáticas tratan de culminar un siglo de intensa búsqueda de una explicación consistente de la naturaleza con una ansiada teoría del todo que se resiste a ser descubierta. 

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(1) Tras años intentando descifrar qué tipos de fuerzas gobiernan la naturaleza, los físicos concluyeron que realmente solo existen 4 interacciones fundamentales: la nuclear fuerte (responsable de mantener unido el núcleo atómico), la nuclear débil (responsable de la desintegración radiactiva de las partículas subatómicas), la electromagnética (considerada una única tras los estudios de Maxwell y Ørsted que demostraban que fenómenos eléctricos y magnéticos estaban íntimamente relacionados) y la gravitatoria (que surge por la mera presencia de energía y materia en el espacio). La teoría clásica de campos trataba de dar una interpretación rigurosa de los campos electromagnético y gravitatorio por medio de operadores matemáticos que permitiesen medir perturbaciones e interacciones con sus entornos. 

(2) El bosón de Higgs no es exactamente una partícula mediadora de ninguna fuerza fundamental, sino que la interacción del llamado Campo de Higgs (poblado con bosones de este tipo) con otra partícula (que puede ser bosón o fermión) supone que esta adquiera masa. Así se explica la enorme masa de los bosones Z y W y la ausencia de esta en los fotones, pues estos últimos no perturban dicho campo, mientras que los primeros sí. Este proceso se conoce como Mecanismo de Higgs.

(3) En QFT, las soluciones de las ecuaciones que tienen en cuenta todos los estados posibles son series divergentes (una suma con infinitos términos cuyo resultado parece crecer infinitamente). Existen un conjunto de teoremas matemáticos que hacen posible realizar estas sumas por medio de la agrupación y cancelación de ciertos términos, de forma que el resultado sea finito. Esta técnica se denomina renormalización, y todos los intentos de aplicarla a las ecuaciones de la relatividad han fracasado, obteniendo resultados absurdos y no finitos. 

(4) El espín se define como el momento angular intrínseco y fijo de una partícula. Para entenderlo, puedes imaginar que el espín caracteriza el giro de una partícula muy pequeña alrededor de su propio eje. 

(5) Un tensor es un objeto matemático que representa una magnitud física y que se mantiene invariante ante cualquier transformación (como un cambio de coordenadas). Un campo tensorial asocia un tensor a cada punto del espacio-tiempo. Puedes ignorar este concepto, no es fundamental para entender el tema central.