Archive for 2 diciembre 2017

Sobre la génesis del modelo standard y sus sucesores.

diciembre 2, 2017

Hay una frase famosa entre la generación hippy (allá por los 60/70) que rezaba aquello de “nunca confíes en nadie mayor de 30 años”.

Por otro lado el premio mas famoso entre los matemáticos, la medalla fields, tiene el requisito de que el que lo reciba debe ser menor de 40 años aduciendo que nadie mayor de esa edad puede hacer una contribución importante e innovadora a las matemáticas. Éso es algo falso, cómo demuestra el contraejemplo, Joseph Fourier que creó su famosa teoría de series trigonométricas cuando estaba en la cincuentena (en una época en que la esperanza de vida, incluso corregido el sesgo de mortalidad infantil) no superaba los 30 años.

Entre los físicos hay otra frase “las teorías viejas no mueren, sólo lo hacen aquellos que las sustentan”. Bien, todos sabemos que la física teórica actual no tiene grandes contribuciones experimentalmente probadas desde hace mucho, y que la gente mas famosa ya tiene “una edad”. Pero, siendo gente experimental, vamos a ver los datos concretos, es decir, las fechas de nacimiento de las “grandes estrellas” de la física moderna. En el camino vamos a ver unas cuantas cosas que, al menos para mí, son un tanto sorprendentes.

1-La generación del modelo Standard de partículas, todos ellos premios nobel prestigiosos (última física fundamental verificada experimentalmente).

Murray Gell-Mann (padre del modelo de quarks, la base de la QCD. Para crear los quarks usó la teoría de grupos, que luego sería de importancia vital en física teórica): 1929

Setven Weinberg(El mas famoso, y mejor, de los físicos que crearon el modelo electrodébil): 1933
Sheldon Lee Glashow (co-descubridor del modelo electrodébil): 1932
Abdus Salam(co-descubridor del modelo electrodébil): 1926
Peter Higgs (el que introdujo el famoso bosón que lleva su nombre, y que sirve cómo medio para que las teorías gauge pudieran describir fuerzas en las uqe las partículas responsables de las mismas tuvieran masa): 1929
Gerardus ‘t Hooft (consagró el modelo standard al demostrar que las teorías gauge son renormalizables): 1946

Kenneth G. Wilson (autor de la teoría del grupo de renormalización, y la teoría de transiciones de fase, de importancia clave en teoria cuántica de campos): 1936

Excepto Hooft, y por muy poco, todos nacieron antes de la segunda guerra mundial ¡ahí es nada!

Y, dado que el modelo standard es una teoría gauge no abeliana, o teoría de Yang-Mills, debemos incluir a los inventores del concepto. Yang tiene el premio nobel, pero, de manera un poco extraña, Mills no.

Chen-Ning Yang: 1922
Robert Mills: 1927

Vamos con nombres ilustres del campo de la cosmología, que juega un papel fundamental en la física teórica actual, y, ya de paso, la relatividad general, base de la cosmología y los agujeros negros, otro ingrediente clave de esta física.

Stephen Hawking (probablemente el físico mas famoso del momento, así que no creo necesario detallar sus contribuciones): 1942

Roger Penrose(grandes aportaciones a la teoría matemática de la relatividad general, entre otras cosas, famoso también por haber escrito muchos libros de divulgación especulando sobre hipótesis que nunca ha llegado a probar, y que son poco verosímiles. En cualquier caso muy conocido y reconocido): 1931

Kip Thorne (otro de los grandes de la relatividad general, ganador del nobel de física de éste año por su contribución al hallazgo de las ondas gravitacionales por el experimento LIGO): 1940

Bien, seguramente me deje nombres importantes (en particular en QCD, que trataré mas adelante), pero creo que ésos son los mas relevantes de la física justo anterior a la teoría de cuerdas, la última verificada experimentalmente. El mas joven de ellos es Gerard t’hooft que tiene ahora la tierna edad de 71 años.

Vamos con los involucrados en la “prehistoria” de la teoría de cuerdas, en concreto con su prima cercana, la supersimetría. Sí consideramos cómo “padres de la supersimetría” a los autores del primer modelo famoso tendremos que hablar del modelo de Wess-Zumino.

Julius Wess: 1934
Bruno Zumino: 1923

Cómo se puede comprobar su edad está en el rango de la de los creadores del modelo standard. A diferencia del mismo la supersimetría no ha sido hallada experimentalmente. Realmente es algo relativamente inesperado pues hay muchas muy buenas razones para que ya se hubiera descubierto la supersimetría, y, en todo caso, la gente que la propuso pertenecía al mismo grupo generacional del modelo standard, que es una teoría de un éxito apabullante, y, realmente, el salto conceptual entre una y otra teoría es mínimo.

El siguiente paso después de la supersimetría es la supergravedad, es decir, supersimetría local, que da lugar a que, “mágicamente”, aparezca por ahí la relatividad general. Sus padres son:

Daniel Z. Freedman: 1939
Sergio Ferrara (aparte de en supergravedad también hizo un trabajo pionero en teoría de campos conformes, un tema importante en física de materia condensada, pero sobre todo, en teoría de cuerdas ya que las teorías de cuerdas son teorías de campos conformes): 1945
Peter van Nieuwenhuizen (señalar que hizo la tesis con Martinius Veltman, el mismo que dirigió a Gerard `t hooft, y que compartió con éste el nobel por demostrar, en 1972, que las teorías gauge son renormalizables): 1938.

Una vez mas vemos que los autores de la supergravedad son, básicamente, de la misma generación que los autores del modelo standard. Es fácil tildar a los creadores del modelo standard cómo los “ganadores” y a los otros cómo “perdedores”, pero, realmente, son gente que se formaron con la misma base, y que tenían métodos de trabajo muy similares. Para aclarar las cosas un poco mejor es necesario hilar mas fino con las fechas pertinentes.

En la síntesis del modelo electrodébil las primeras publicaciones de Sheldon Glasgow en el tema son de 1961, mismo año que las primeras de Salam. El trabajo clave de Weinberg es del 1966, tras el artículo de Higgs, de 1964. No conozco a fondo esa época y su cronología, pero sí he leído algunas cosas bastante aclaratorias sobre lo que había entonces.

La electrodinámcia cuántica de Feynman, Schwinger, Tomonaga y Dyson había sido un gran éxito y fué la primera teoría cuántica de campos renormalizable. Sus autores (excepto Dyson) recibieron el nobel en 1965, aunque sus trabajos clave son de entre 1947 y 1951 aproximadamente.

Posteriormente llegó la época de la física nuclear, o mas bien subnuclear. Al empezar los experimentos con aceleradores a las pocas partículas subatómicas conocidas (protón, neutrón, electrón, neutrino y mesones de yuakwa) se empezó a unir una pléyade de nuevas partículas, que en ese momento parecían fundamentales, aunque luego se vería que no, que no se sabía muy bien cómo encajar. Antes del modelo de Weinberg se tenía para la interacción nuclear débil el modelo de Pauli, que no era renormalizable, pero funcionaba muy bien. Para la interacción nuclear fuerte había muchos modelos bastante fenomenológicos, y lo mas parecido a una teoría fundamental eran los bosones de yukawa que mediaban la interacción nuclear entre protones y neutrones, que tampoco era renormalizable.

Poco a poco se fue creando algo de luz, con cosas cómo los partones, que son algo así cómo los precursores de la teoría de quarks. Pero la propia teoría de quarks es de 1964, es decir, dos años antes que la teoría de Weinberg. En cualquier caso la teoría de quarks (descrita por el SU(3) de sabor) es una teoría descriptiva, pero una teoría fundamental (éso sería la QCD, basada en el SU(3) de color, que vendría después, mas tarde comentaré cosas al respecto). En definitiva, que la única teoría renormalizable era la electrodinámica cuántica, y no había ninguna teoría renormalizable para la mayoría de interacciones. Aunque la generalización de la invarianza gauge de la electrodinámica, las teorías de yang-mills, ya se había hecho en 1954 no permitía incorporar partículas con masa. En se ambiente, según explica Weinberg, la mayoría de la gente no prestaba demasiada atención a las teorías gauge o a la propia electrodinámica cuántica cómo modelos de futuro y se centraba en el estudio de “las propiedades formales de la matriz de Scatering”, usando mucha teoría de variable compleja, buscando polos (puntos dónde la función toma valores infinitos) en las amplitudes (asociadas a resonancias, que, a su vez, se asocian al descubrimiento de nuevas partículas). El caso es que era una época dónde primaban artículos muy formales en esa “matriz S” y trabajos con mas intuición física cómo los de Weinberg y los padres del modelo standard no eran para nada lo mas extendido y exitoso. De hecho Weinberg comentó que su artículo pasó prácticamente desapercibido por la gran mayoría de teóricos ¡3 años!. También comentó que escribió sobre teorías de yang-mills porqué la teoría de Matriz S le parecía un aburrimiento formal al que no podía aportar nada.

Volvamos al hilo. En 1966 estuvo el trabajo clave de Weinberg. El primer gran artículo sobre supersimetría es de 1973, 7 años mas tarde. Si creemos a Weinberg en que su trabajo tardó tres años en hacerse famoso éso nos da un intervalo de sólo 4 años de distancia entre ambos trabajos, uno un éxito rotundo a nivel experimental, y otro de relevancia empírica aún por demostrar.

Pero el caso es que el trabajo de supersimetría no es del todo posterior al modelo standard porqué tras el éxito de la teoría electrodébil con su grupo SU(2)xU(1) la gente estaba trabajando en la QCD y su grupo SU(3) de color.

La QCD describe los protones y neutrones (y el resto del zoo de partículas descubierto en esa época) cómo estados confinados de quarks. Sus dos aspectos mas rseñables son ese confinamiento y la libertad asintótica. En el confinamiento, un hecho experimental clave, surgido en la propia génesis del modelo de quarks, es decir, en 1964, la clave es deducir que la QCD presenta esa propiedad. Es un problema abierto, aunque hay un trabajo muy importante de Kennet Wilson (del que hablé antes) que usando lo que se conoce cómo “Wilson loops” da un argumento muy importante a favor de esa hipótesis. El trabajo dónde introdujo los wilson loops es de 1974, es decir, un año después de la primera teoría supersimétrica.

Antes de establecerse la QCD de manera firme se propuso otra alternativa para explicar el confinamiento, la teoría de cuerdas en quarks. El creador de esta teoría es Gabriele Veneziano (nacido en 1942) y su primer artículo en el tema es del año 1968, es decir, cuando el trabajo de Weinberg aún no era famoso, y anterior también al primer trabajo sobre supersimetría, luego, obviamente, esas no eran cuerdas supersimétricas, osea, supercuerdas, cómo las actuales). De hecho su teoría está inspirada en la “teoría de scatering de matriz S) y las amplitudes de Venciano. En esa versión muy primitiva (y diferente de la actual) de la teoría de cuerdas la idea era que los quarks estaban unidos por cuerdas. Estas, al estirarse, adquirían energía. De hecho sí se estiraban demasiado se rompían, pero antes habían adquirido tanta energía que en los nuevos extremos se formaba un nuevo par de quark y antiquark, lo cuál explicaba el confinamiento.

La otra gran pata de los aspectos elementales de la QCD es la libertad asintótica. éso significa que, a distancias muy cortas, la interacción entre los quarks se hace nula. Fue descubierta en en 1973 (el mismo año en que se introdujo la supersimetría) por David Gross (nacido en 1941, que, aparte de la libertad asintóntica, contribuyó al nacimiento y consolidación de la forma moderna de la teoría de cuerdas), y Frank Wilczek (nacido en 1951). Ambos autores ganarían el premio nobel por ese descubrimiento. Compartieron ese nobel con Hugh David Politzer (nacido en 1949) que ese mismo año publicó de manera independiente el mismo resultado.

Una tercera gran pata de la QCD sería su estructura de vacío, con cosas cómo los insatantones (1974 y 1977 primeros trabajos) o los monopolos de t’hooft y Polyakov (1974)
Cómo podemos ver, ahondando en las fechas, la supersimetría era una teoría que surgió a la estela de las bases del modelo standard (la teoría electrodébil, y la demostración de la renormalizabilidad de las teorías gauge un año antes) y compartiendo fechas con los años dónde la QCD tomaba forma (y los autores que le daban esa forma hacían méritos para el nóbel). Es curioso porqué, realmente, la supersimetría es una teoría mas “bonita” que todas las demás de la época y, por su relación primero con la supergravedad y luego con la teoría de cuerdas es, además, caso de ser cierta, mas fundamental e importante que el propio modelo standard.

La supergravedad nació en 1976, 3 años después de la supersimetría, y dos años después de la libertad asintótica, cuando aún se seguían cimentando muchos aspectos del modelo standard.

Ya, para cerrar, señalar otra teoría que daría forma a la génesis de la teoría de cuerdas, el modelo de gran unificación SU(5) de Giorgi (nacido en 1947) y el ya mencionado Sheldon Glasgow. Ése modelo es del año 1974, un año después de la supersimetría, y coetáneo ala libertad asintótica. Sus ingredientes son los mismos que los del muy exitoso modelo standard, una teoría de grupos gauge y, además, tiene un montón de aspectos sugerentes.

En definitiva, la física que triunfó (modelo standard) y la que “fracasó” (supersimetría, supergravedad, gran unificación, y su “hija”, la teoría de cuerdas) fueron alumbradas prácticamente a la par, por físicos con similar bagaje y todas igualmente prometedoras. Sí acaso se puede indicar que la que tuvo éxito miraba al pasado, es decir, unía un montón de hechos experimentales previos en una única teoría SU(3)xSU(2)xU(1) mientras que las que “fracasaron” usaban las mismas ideas que estaban demostrando ser útiles para hacer previsiones sobre nuevos resultados futuros, siguiendo la costumbre de éxito del siglo XX en la que gente cómo Dirac había predicho el positrón, o Pauli el neutrino. De hecho el bosón de Higgs se predijo entonces y pasó mucho, mucho tiempo hasta que se descubrió (2012). Pero, lo importante, es que, mirando los detalles históricos no hay ningún motivo razonable para tachar a los que postularon las teorías “fracasadas” cómo algún tipo de soñadores que se salían de “el business as usual”. Claramente estaban en el bussines a usual, y, de hecho, algunos de los que tuvieron éxito en parte también “fracasaron” (por ejemplo, no hay indicios experimentales de los solitones de t´hooft, que vendrían a ser, en algunos casos, instantones y en otros monopolos magnéticos). David Gross fué premio nobel por la libertad asintótica pero “fracasó” por su trabajo en teoría de cuerdas.

En cualquier caso ésa época, la génesis del modelo standard, coetánea con la de las teorías que deberían sobrepasarlo, es algo ya bastante “antiguo” y la gente que contribuyo a ello están o muertos, o con la edad de jubilación ya muy sobrepasada. Sí hacemos caso a la máxima del principio no deberíamos fiarnos de ellos, pero la cuestión es que fueron la última generación de teóricos que puede presumir haber obtenido resultados de éxito demostrado empíricamente.

Mi idea es, en algún momento, hablar sobre las diversas generaciones de físicos de cuerdas, desde los primeros a los mas recientes. Incluso yéndonos a la física de cuerdas los últimos nombres que realmente se puedan considerar cómo establecidos en el status de “famosos” ya no son precisamente unos chavales. Pero éso, dejo para un futuro esa historia, y tengo muchas otras cosas que contar, según vaya encontrando tiempo.

Anuncios