El papel del experimento en la física mas reciente

En el post anterior expuse como la confirmación experimental de una teoría no siempre es inmediata. Usé ejemplos de física ya bien establecida y, tal vez algo “antigua”. El caso es que alguna gente (incluyendo físicos teóricos, por ejemplo uno de los que comentó el post anterior) tiene la impresión de que de un tiempo a esta parte la física teórica ha abandonado el experimento y son todo conjeturas sin ninguna relación con verificaciones experimentales. A lo largo del ost por mor de hacerlo lo mas autocontenido posible, repetiré a veces cosas ya comentadas en este blog.

Digamos que se da a entender que desde la formulación teórica final del modelo standard en los 80, con el respaldo del descubrimiento del quark top en el LEP se acabó ese vínculo y que desde entonces se han propuesto teorías exóticas sin ningún control. Posiblemente el hecho de que ese modelo es lo último que se explica en los cursos de licenciatura, si uno tira por la rama de física teórica, refuerza esa impresión. Nada mas lejos de la realidad.

Primero voy a hacer una recapitulación rápida de los desarrollos teóricos que tantas críticas han recibido, y luego voy a ir explicando como diversas fuentes han ido poniéndolos a prueba.

Las primeras extensiones del modelo standard de partículas, el famoso SU(3)xSU(2)xU(1) fueron los modelos de gran unificación, el mas famoso de los cuales es el SU(5). Este tipo de modelos, al estar basados en el mismo corpus de teoría que el modelo standard, las teorías cuánticas de campos, no están tan mal vistos como otro tipo de teorías, pero tampoco están libres de críticas. Lo primero es notificar que esa unificación con SU(5) esta descartada experimentalmente. El motivo es que predice que el protón es una partícula inestable, y el ritmo de desintegración del mismo. Experimentos destinados a medir esa desintegración no han detectado nada aún y han descartado completamente SU(5). De hecho ese fenómeno, la desintegración del protón es algo común a varios modelos de unificación, y cuantas mas cotas experimentales haya para ese ritmo de desintegración mas restricciones hay para esos modelos. Aparte de la teoría F las cuerdas heteróticas (y su versión no perturbativa, la teoría M heterótica) también están muy cerca del modelo standard. En general esas teorías favorecen la presencia de un vector Z adicional que es una de las primeras cosas que, de existir, podría hallar el LHC.

Pero los modelos SU(5) y similares (algunas versiones mas elaboradas de los mismos siguen siendo consideradas hoy día) predicen mas cosas. Un aspecto de esas teorías es que se supone que en el universo muy temprano las simetrías unificadas eran válidas y que se rompieron espontáneamente l enfriarse este. Común a todos los mecanismos de ruptura de simetría (incluido el de la simetría electrodébil incluido en el modelo standard) es la aparición de defectos topológicos como los monopolos magnéticos (inevitables), las cuerdas cósmicas (http://antropicos.blogspot.com/2007/03/cuerdas-csmicas.html,<sorprendente que la wiki española no tenga una entrada sobre ellas) o los muros de dominio. Estos dos últimos son objetos cuya presencia no eta totalmente en obligada, son una mera posibilidad. Y son el tipo de cosas exóticas que a mucha gente le disgustan. El caso es que estos defectos topológicos juegan un papel observable importante en cosmología. Como los monopolos son inevitables en estos modelos y no se han observado debe haber algún mecanismo para explicar eso. Ya mencioné este tema en el post anterior y el hecho de que la inflacción (periodo de los primeros del universo en que este tuvo un crecimiento de su tamaño exponencialmente acelerado) era uno de esos posibles mecanismos.
Pero también las cuerdas cósmicas son importantes. Una cuerda cósmica, sería un objeto con la forma de una cuerda, con un grosor microscpóico, una densidad grandísima, y un longitud macroscópica ("infinita" si la cuerda es abierta, y de tamaño astronómico variable según modelos si es cerrada). De existir tendrían un papel en la formación de estructuras en el universo, y hay que tenerlas en cuenta. Y, que quede claro, son objetos sujetos a observación experimental por diversos medios (observación de galaxias duplicadas como resultado de la desviación de los rayos e luz al pasar junto a una cuerda, ondas gravitacionales, etc). Hasta ahora no se han descubierto pero si hay restricciones sobre sus características. Unas de estas restricciones provienen
de las observaciones mas recientes sobre las estructuras del universo. Otras provienen de las ondas gravitacionales. El hecho de no haberse observado ondas gravitacionales del tipo que deberían emitir cierto tipo de cuerdas cósmicas descarta su existencia. Hago notar ya mismo que aparte de como defectos topológicos en las transiciones de fase del universo las cuerdas cósmicas pueden parecer dentro de la teoría de cuerdas (microscópicas). En ese sentido una cuerda cósmica habría surgido cuando una cuerda microscóipica de la teoría de cuerdas (una F-string, o si acaso una D-string, ya explicaré mas adelante que son estas cosas) es estirada hasta tamaños cosmológico por el mecanismo de inflacción. Pues bien, ahí ya tenemos en interacción tres anatemas (para algunos) de la física moderna. La teoría de cuerdas fundamentales, la teoría de cuerdas cósmicas y la inflacción. El caso es que la teoría de cuerdas aporta modelos de inflacción. Entre ellos uno en el que las D-branas (uno de los constructos mas exóticos de la teoría de cuerdas) juegan un papel en crear esa inflacción. Y predicen la creación de cierto tipo de cuerdas cósmicas que provocarían cierto tipo de ondas gravitatorias. El caso es que en el experimento LIGO no se han observado esas ondas y ese tipo de cuerdas cósmicas, y los modelos de inflacción que las crearían, quedan descartados. La referencia dónde se demuestra esto es:An Upper Limit on the Stochastic Gravitational-Wave Background of Cosmological Origin.

Ya he mencionado en los párrafos anteriores a la archienemiga de muchos físicos, la teoría de cuerdas. Asumo que mas o menos todo el mundo ha oído hablar de la misma y que no necesito dar una introducción. Por si acaso dejo un par de links, para los muy despistados: Cuerdas, wikipedia o ¿que es la teoría de cuerdas?. Una introducción algo mas técnica esta en mi otro blog:One string to rule them all
. Es la archienemiga porque requiere dimensiones extra (10, u 11 en versiones no perturbativas como la teoría M), que no se han observado, porque aunque se supone que es una teoría de unificación que permite generalizar al modelo standard es muy dificil obtener este modelo de la teoría. Difícil, aunque no imposible, en el 2008 una versión no perturbativa de las supercuerdas tipo IIB conocida como teoría F ha hecho un excelente trabajo reobteniendo el modelo standard, en un esquema en que este se unifica en un SU(5) algo distinto al de la teoría inicial, que esta libre del problema de la rápida desintegración del protón. Otros aspecto oiado de las supercuerdas es cuando en la década pasada surgió lo que se conoce como el andscape y su relacción con el principio antrópico. Ya iremos viendo como las cuerdas no van tan por libre como se cree.

La hermana pequeña de las teorías de cuerdas son las teorías supersimétricas, en las que se asume que a cada partícula del modelo standar le corresponde una compañera relacionada con ella por una simetría. La compañera supersimétrica tiene un spin distinto a la partícula convencional. De hecho se supone que las teorías supersimétricas deberían ser límites de baja energía de as teorías de cuerdas. Como son teorías de partículas puntuales, al estilo de las del modelo standard (y no de objetos extensos, como las teorías de cuerdas), tiene menos enemigos. Aún así al no haberse observado experimentalmente la supersimetría hay quines siguen considerándola “mera especulación”. Realmente las teorías supersimétricas podrían (hasta cierto punto) ser independientes de las teorías de cuerdas. Sea como sea la supersimetría es la base de casi toda la fenomenología en física de partículas mas alllá del modelo standard. Para ver una intro al tema doy unos links: supersimetría en mi otro blog, supersimetría en la wiki

Eso en física de partículas. En cosmología la gente estaba feliz con el modelo FRW, hasta que llegó primero lo la materia oscura (ver unos posts mas atrás en este mismo blog), luego problemas varios que derivaron en la necesidad de mecanismos tipo inflacción, y luego, en los 90, unas observaciones, basadas en observaciones de supernovas standard que señalaron que el universo esta en un expansión acelerada, lo que se conoce como dark energy.

Vamos ya con el asunto experimental. El campo mas (hiper)activo es el de la detección de la materia oscura.

Actualmente tenemos 4 experimentos en tierra que han obtenido posibles resultados de detección de materia oscura. Dos de ellos de este año, CogeNet y Crest (este último acaba de anunciar los resultados preliminares en una conferencia,véase aquí). Ambos han detectado (presuntamente) una partícula de unos 20 GeV. CDMS obtuvo dos eventos (cantidad muy poco significativa estadisticamente) compatibles con partículas de esa masa, aunque también con otros valores. DAMA lleva mas de un año anunciando que ve algo que se modula en el tiempo como se espera de la materia oscura. Todos estos experimentos tiene el problema de eliminar “el fondo”, es decir asegurarse de que lo detectado es materia oscura y no señales espúreas debidas a causas terrestres, lo cual lleva un tiempo. Con todo la evidencia es ya bastante, bastante firme (en mi, posiblemente algo optimista, opinión). De todos modos, mientra escribía este post, he leído un rumor que afirma que otro experimento XENON, podría contradecir a CogeNet, si bien de manera nodefinitiva.

Aparte hay tres resultados de satélites y similares (PAMELA, ARTIC, GLAST, etc) que detectan un exceso de positrones respecto a lo que se esperaba desde ciertas zonas de la galaxia.

Con todos estos resultados hay un bullicio de actividad para encontrar entre las teorías en boga que candidatos pueden explicar estos indicios Ppreferiblemente se busca un partícula que explique todo a la vez. La búsqueda esta centrada sobre todo en algún tipo de partícula supersimétrica, aunque se barajan algunas oras opciones.

Aparte de la materia oscura en los últimos años se han conseguido algunos tests independientes de la expansión acelerada del universo (la dark energy). Los datos sobre el fondo cósmico de microondas son cada vez mas finos y permiten obtener mucha información sobre el momento en que la luz se desembarazó de la materia. Esa etapa da muchas pistas sobre, entre otras cosas, como pudo haber sido la inflacción. También hay mejoras en las observaciones y modelos teóricos de como es la estructura del universo. Eso se ha traducido en, por ejemplo, descartar las opciones de materia oscura aliente (formada por partículas moviéndose a velocidades relativistas, como por ejemplo los neutrinos).

Todos estos resultados cosmológicos, si bien no tan precisos como los resultados de laboratorio, ponen a prueba algunos aspectos de las teorías físicas mas fundamentales, como gravedades cuánticas (como la LQG, loop quantum gravity, o la teoría de horava) y, sobre todo, teoría de cuerdas. Digamos que sirven para hacer acotaciones bastante buenas que permiten descartar algunos escenarios de teoría de cuerdas que, en principio, serían compatibles con el modelo standard de partículas. Hay por tanto un interacción directa entre la teoría de cuerdas (y teorías de gravedad semiclásica, es decir, efectos cuánticos en gravedad obtenidos perturbativamente). En definitiva, que estos resultados cosmológicos cada vez mas finos (y variados, muy variados) van decartando líneas de investigación en supercuerdas.

He mencionado de pasada la LQG y la gravedad cuántica de horava. Estas son teorías que buscan cuantiar la gravedad sin recurrir a objetos extensos y sin requerir supersimetría. En ese sentido son mas “conservadoras”. Bien, esas teorías también tienen su confrontación con los experimentos. Por ejemplo la LQG medio predijo (eso dicen ahora, antes decían que era una predicción firme) que a velocidad de la luz en el vacío dependía de la frecuencia. El año pasado el satélite FERMI/GLAST al comprobar los tiempos de llegada de onds electromagnéticas provenientes de una misma fuente (lejana) comprobó que no había la dispersión de tiempos de llegada que se ajustaba a esos modelos de LQG (o a otros de cierto tipo de teoría de cuerdas en 4 dimensiones en las que muy poca gente creía de todos modos, las cuerdas de Liouville) poniendo en serios aprietos a esos modelos, que, de cualquier modo,tienen sus propios problemas de coherencia interna (al menos según los físicos de cuerdas). La gravedad de Horava creada en el 2009) también se podría ver algo afectada por ese resultado experimental. No he seguido demasiado esa teoría así que no comentaré mas sobre ella.

Otros experimentos terrestres han hecho los mismo, poner cotas. Muy a finales de los 90 y principios de siglo había un cierto auge de teorías con dimensiones extra mesoscópicas (es decir, con un tamaño inferior al milímetro, pero no el propio de los átomos). Este tipo de dimensiones habían surgido como una posibilidad en avances teóricos de la teoría de cuerdas. Son dimensiones en las que sólo se puede propagar la gravedad (o en algunas variantes los bosones gauge,es lo que se conoce como UEE-universal extra dimensions-. Las teorías F-GUT son un ejemplo de ellas, aunque el tamaño de esas dimensiones extra dónde pueden ir los bosones es demasiado pequeño para ajustarse propiamente a este tipo de escenarios ) pero no los fermiones, osea, la materia convencional. Inicialmente las cotas experimentales indicaban valores compatibles de hasta casi un milímetro para el tamaño de esas dimensiones extra. Desde entonces ha habido un montón de experimentos que han estrechados esos límites hasta tamaños mucho menores, de casi milésimas de milímetro. Aún así tamaños mucho mayores que las dimensiones extra convencionales en la teoría de cuerdas, que tendrían aproximadamente la longitud de Planck, es decir, mucho menores que el núcleo atómico.

El LHC pondrá a prueba, casi definitiva, esos modelos. La consecuencia mas espectacular posible sería la creación de miniagujeros negros. otra, mas factible, es la detección de modos de kaluza-klein del gravitón. De hallarse alguna de estas predicciones las supercuerdas tendrían un respaldo experimental muy importante. Si lo que se hallan sn miniagujeros negros posiblemente también puedan hallarse indicios experimentales de la radiacción Hawking (emisión de partículas por los agujeros negros) y Hawking sería premio nobel.

Un resultado positivo (es decir, no poner cotas) es el descubrimiento de que los neutrinos tienen una pequeña masa y hay oscilaciones entre especies. Para explicar esa pequeña masa se propuso el mecanismo del seesaw (balancín). Cualquier teoría actual debe contemplar ese hecho, y darle explicaciones naturales (mas allá del modelo básico del balancín). Un ejemplo de teoría que hace esos son las GUT basadas en teoría F.

Y, por supuesto, ahora tenemos el LHC empezando a funcionar y el Tevatrón dando sus últimos coletazos batiendo records de luminosidad. El Tevatron ha puestos cotas a la masa del Higss y a las de las partículas supersimétricas. Esas cotas imponen restricciones muy serias en las extensiones supersimétricas del modelo standard. Y ahora el LHC ppondrá mas cotas y, tal vez, encuentre partículas supersimétricas y al propio Higgs.

En definitiva, que si bien cuando surgieron las cuerdas y el resto de teorías había mucha libertad sobre sus características el desarrollo teórico de las mismas ha hechos muchas predicciones de posibles resultados. Al no hallarse se han puesto límites a muchos comportamientos posibles de esas teorías. Por otro lado muchos descubrimientos experimentales nuevos requieren explicación. Y estas teorías están tratando de responder al reto (con resultados esperanzadores en algunos casos, y algo menos satisfactorios en otros). Pero claramente hay un continuo toma y daca entre teoría y experimento, y por tanto se sigue haciendo ciencia según el criterio convencional, en contra de lo que quieren hacer creer algunos agoreros, o en otros casos, gente no del todo bien informada.

No he pretendido ser exhaustivo. De un lado no podría pues no soy lo que se conoce como “fenomenólogo”. De otro lado esta el hecho de que ser exhaustivo seguramente requeriría escribir un libro bastante grueso. Pero espero que haya quedado suficientemente ilustrada la idea que se pretendía mostrar.

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2 comentarios to “El papel del experimento en la física mas reciente”

  1. El experimento en la física actual « Simbiotica's Blog Says:

    […] Un excelente artículo sobre la cuestión (publicado en el Blog “Ciencia DiY”) puede leerse aquí. […]

  2. Angus Webb Says:

    […] Un excelente artículo sobre la cuestión (publicado en el Blog “Ciencia DiY”) puede leerse aquí. […]
    +1

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