Simetrías de dimensiones infinitas abren la posibilidad para una nueva física y para nuevas partículas, revela estudio

Las simetrías que gobiernan el mundo de las partículas elementales en el más elemental de los niveles podría ser radicalmente diferente de lo que hasta ahora ha sido pensado. Esta conclusión sorprendente emerge de un nuevo trabajo publicado por teóricos de Varsovia y Postdam. El esquema que postulan unifica todas las fuerzas de la naturaleza de una forma que es consistente con observaciones existentes y anticipa la existencia de nuevas partículas con propiedades inusuales que inclusive podrían estar presentes en nuestros alrededores.

Por medio siglo, los físicos han tratado de construir una teoría que unifique las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, describir las partículas elementales conocidas y predecir la existencia de nuevas partículas. Hasta aquí, estos intentos no han tenido confirmación experimental y el Modelo Estándar, un modelo incompleto pero sorprendentemente efectivo es la mejor descripción que tenemos del mundo cuántico. En un texto publicado recientemente en Physical Review Letters, el profesor Krzysztof Meissner y el profesor Hermann Nicolai han presentado un nuevo esquema que generaliza el modelo estándar que incorpora la grvedad dentro de la descripción. El nuevo modelo aplica un tipo de simetría que no ha sido utilizada previamente en la descripción de las partículas elementales.

En física, las simetrías han sido entendidas de forma diferente a la forma coloquial de la palabra. Por ejemplo, si una pelota es lanzada justamente ahora o un minuto después, caerá de la misma manera. Esto es una manifestación de un tipo de simetría: las leyes de la física permanecen sin cambio con respecto a los cambios en el tiempo. De manera similar, lanzar la pelota desde la misma altura en una ubicación determinada tendrá el mismo resultado si lanzamos la misma pelota desde otra ubicación. Esto significa que las leyes de la física son simétricas con respecto a la operación espacial.

“Las simetrías juegan un inmenso rol en física porque están relacionadas con los principios de conservación. Por ejemplo, el principio de conservación de la energía involucra simetría con respecto a los cambios en el tiempo, el principio de conservación del momento se relaciona con simetrías de desplazamiento espacial, y el principio de conservación del momento angular se relaciona con simetría rotacional”, afirma el profesor Meissner.

Desarrollar una teoría supersimétrica que busque descibir las simetrías entre fermiones y bosones comenzó en los aós 70. Los fermiones son partículas elementales que su spin, una propiedad cuántica relacionada con la rotación, se expresa en múltipos de pares de la fracción 1/2 , y esto incluye tanto a quarks como a leptones. Entre estos últimos se encuentran electrones, muones, tauones y sus neutrinos asociados (como también sus antipartículas). Protones y neutrones, comunmente llamadas partículas no elementales, son también fermiones. Los Bosones, en cambio, son partículas con valores de espín entero. Estos incluyen a las partículas responsables de las fuerzas (fotones, que transmiten la fuerza electromangética; los gluones, que transportan a la fuerza nuclear fuerte; los bosones Z y W, que llevan a la fuerza nuclear débil) así como también el Bosón de Higgs.

Las primeras teorías supersimétricas intentaron combinar las fuerzas típicas de las partículas elementales, en otras palabras la fuerza electromagnética con una simetría llamada U(1), la fuerza débil con la simetría SU(2) y la fuerza nuclear fuerte con la simetría SU(3). La gravedad seguía estando sin alguna supersimietría que se le relacionara. La simetría entre los bosones y fermiones seguía siendo global, lo que significa lo mismo en cualquier punto del espacio. Al poco tiempo después, se plantearon teorías donde la simetría era local, lo que significaba que se podían manifestar de manera diferente en cada punto del espacio. Asegurando tal simetría en la teoría requería a la gravedad a ser incluida, y tales teorías se llamaron entonces supergravedades.

Los científicos notaron que en las teorías de la supergravedad en cuatro dimensiones espaciales, no puede haber más de ocho rotaciones supersimétricas diferentes. Cada una de estas teorías tiene un estricto y definido conjunto de reglas (grados de libertad) con diferentes spins (0, ½, 1, 3/2, y 2), conocidas respectivamente como campos escalares, fermiones, bosones, gravitinos y gravitones. Para la supergravedad N=8 que tiene el máximo número de rotaciones, hay 48 fermiones (con espín ½), lo 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 la 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 incorporar el Modelo Estándar dentro de la supergravedad N=8 fue planteado por las cargas eléctricas de de 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 vez primera por Murray Gell-Mann más de 30 años atrás, no fue resuelto sino hasta 2015, cuando el profesor Meissner y Nicolai presentaron el mecanismo respectivo para modificar la simetría U(1).

“Después de hacer este ajuste obtuvimos una estructura con las simetrías U(1) y SU(3) conocido por el modelo estándar. La aproximación probó ser diferente de otros intentos al generalizar las simetrías del modelo estándar. La motivación fue fortalecida por el hecho de que el acelerador del LHC falló a la hora de producir cualquier cosa más allá del Modelo Estándar y del contenido de la supergravedad del fermión en N=8. Contenido compatible con esta observación. Lo que faltaba era agregar el grupo SU(2), responsable de la Fuerza Nuclear Débil. En nuestro trabajo reciente, nosotros mostramos como esto puede ser hecho. Esto explicaría por qué intentos previos al detectar nuevas partículas, motivadas por teorías que amenazan a la supersimetría SU(2) es solo una aproximación tanto para las bajas como para las altas energías”, explica el profesor Meissener.

Ambos, tanto el mecanismo que reconcilia las cargas eléctricas de las partículas y el mecanismo que incorpora la fuerza débil prueban pertenecer a un grupo supersimétrico llamado E10. A diferencia de los grupos de simetría utilizados anteriormente en teorías de unificación, E10 es un grupo infinito, muy poco estudiado aún en el más puro sentido matemático. El Prof. Nicolai con Thibault Damour y Marc Henneaux habían trabajado en este grupo anteriormente, porque parecía como una simetría en supergravedad N=8 bajo condiciones similares a aquellas presentes en los primeros momentos después del Big Bang, cuando una sola dimensión era significativa: el tiempo.

“Por primera vez, tenemos un esquema que precisamente anticipa la composición de los fermiones en el Model Estándar -quarks y leptones- y que lo hace con las cargas eléctricas adecuadas. Al mismo tiempo este incluye a la gravedad dentro de la descripción. Es una inmensa sorpresa que la simetría adecuada sea el asombroso grupo de simetría E10, virtualmente algo desconocido matemáticamente. Si trabajos posteriores confirman el rol de este grupo, esto significará un cambio radical en nuestro conocimiento de las simetrías de la naturaleza”, afirma el profesor Meissener.

Sin embargo las dinámicas hasta ahora no están bien comprendidas, ya que el esquema propuesto por el profesor Meissner y Nicolai hace predicciones específicas. Mantiene el número de spín ½ como en el Modelo Estándar pero por otro lado sugiere la existencia de nuevas partículas con propiedades inusuales. De manera importante, al menos algunas de ellas podrían estar presentes a nuestro alrededor y su detección debe ser dentro de las posibilidades de detección de los equiopos modernos. Pero es un tema para otra historia.

Referencia: https://phys.org

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