LA ODISEA DE LA FÍSICA CONTEMPORÁNEA: A LA CAZA DE PARTÍCULAS ELEMENTALES

Comprender la estructura del universo, de todo lo que nos rodea, ese enigma que durante miles de años ha fascinado a la especie humana, parece estar cerca de despejar una de sus principales incógnitas y nada menos que a través de una partícula.

Pero, ¿cómo llegamos hasta este punto?. Un océano de partículas elementales ha emergido a la luz de avances teóricos y experimentales en física y matemáticas. En general, éstas pueden clasificarse entre aquéllas portadoras de masa (partículas sometidas a las fuerzas nucleares llamadas “hadrones” , entre los cuales encontramos a los protones, etc., cuya constitución es posible estudiar a través de la “cromodinámica cuántica”, y extranucleares denominadas “leptones”, teniendo como ejemplares a electrones, muones, etc.) y aquéllas portadoras de fuerza (“gravitones”, responsables de la gravedad, “gluones”, mediadores de la interacción nuclear fuerte, “bosones intermediarios”, portadores de la fuerza débil, responsable del decaimiento radioactivo, etc.). La existencia de la mayoría de ellas ha sido predicha por los modelos estándar y superestándar (modelo estándar supersimétrico: SUSY) de la física de partículas y en muchos casos demostrada a través de experimentos realizados en poderosos aceleradores. Es el caso de los bosones W y Z, partículas mediadoras de la fuerza débil mencionada anteriormente. En este sentido, el modelo estándar describe razonablemente bien el comportamiento de tres de las cuatro interacciones conocidas en la física: la electromagnética, la fuerte y la débil. La gravitación, al menos por ahora, es “harina de otro costal”.

Actualmente, importantes experimentos iniciados en el “Gran Colisionador de Hadrones” (LHC por Large Hadron Collider), recientemente construido en dependencias del CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) en las cercanías de Ginebra, están dirigidos a verificar la existencia de la partícula (bosón de Higgs) asociada al campo (denominado comúnmente campo de Higgs) candidato a ser responsable de la existencia de partículas con “masa” en el Universo. Esto ocurriría a través de un mecanismo descrito en 1964 en forma simultánea e independiente por varios investigadores, uno de los cuales fue el físico Peter Higgs.

En palabras coloquiales, la “masa” representaría la medida de la intensidad con que interactúa dicho “campo”, a través del bosón de Higgs, con el resto de las partículas del universo.

Estos experimentos intentan determinar la existencia de dicha partícula a través de las trazas físicas que ésta debiera dejar en procesos de colisión de hadrones (en este caso protones) de muy altas energías, sólo desarrollables en el LHC, aproximadamente 14TeV (14 mil millones de electronvoltios), una energía que supera en el doble la producida por otros aceleradores como el Tevatron en el Fermilab de Chicago. El modelo estándar predice la aparición o manifestación de esta partícula precisamente a energías de esa magnitud. De hecho, se trata de la única partícula descrita por éste cuya existencia aún no ha sido demostrada experimentalmente.   

Su descubrimiento representaría un hito importante en el conocimiento de la estructura del universo y un aval para los modelos teóricos que prescriben su existencia. Éstas y otras iniciativas experimentales abrirán nuevos caminos a la investigación y validación,  reformulación o abandono de modelos en distintas áreas de la física.

El que los resultados fuesen negativos respecto de las hipótesis planteadas, implicaría reformular algunas de las teorías establecidas y generar nuevas proposiciones a ser demostradas. En cualquier caso, es posible que desde el “vacío cuántico” (que es todo menos vacío en el sentido usual) surja más de una sorpresa. Algunos esperan que además puedan obtenerse algunos indicios, aunque quizás marginales, acerca de la validez de la “teoría de cuerdas”, modelo físico matemático de la realidad que intenta resolver a través de una teoría general, entre otras cosas, el problema asociado a la cuantización del campo gravitatorio.

LA ODISEA DE LA FÍSICA CONTEMPORÁNEA: GRAVITACIÓN Y FÍSICA CUÁNTICA

En física, junto con la formulación de la teoría de la relatividad (general), el hito más importante del siglo pasado es el desarrollo de la mecánica cuántica como modelo del mundo de las partículas elementales (micromundo). La teoría de la relatividad general está asociada al estudio del campo gravitatorio (la fuerza de gravedad) como fenómeno macroscópico y uno de sus resultados más significativos es que la presencia de la masa de los cuerpos modifica la estructura del espacio-tiempo que los contiene, curvándolo. De esta forma, la geometría se transforma en elemento esencial, estructural del universo en que habitamos. Por otro lado, la mecánica cuántica es un modelo fenomenológico, principalmente matemático, de la realidad del mundo a escalas muy pequeñas. A ese nivel, las partículas se comportan como corpúsculos y también como ondas (cada función de onda representa un “estado posible” para la partícula), dependiendo de la situación objetiva o experimental a la que se enfrenten, lo que hace que su dinámica sea radicalmente diferente a la que describe la mecánica clásica en el caso de cuerpos de mayor escala. Si a nivel macroscópico la posición y la velocidad de un objeto pueden ser medidas en general con bastante precisión, en forma simultánea, a nivel cuántico, sólo podemos conocer el valor esperado (o la probabilidad) de que una partícula se encuentre en una región determinada del espacio o que tenga una velocidad dada. Si conocemos su posición con bastante exactitud, tendremos una gran incertidumbre en su velocidad y viceversa. Es lo que se conoce como el “principio de incertidumbre de Heisenberg”, pilar de la teoría.

Bajo condiciones adecuadas, cuando se trata de sistemas de muchas partículas libres o interactuando a nivel cuántico, ese comportamiento “especial” (corpúsculo-onda) puede traducirse en manifestaciones macroscópicas observables, como es la superfluidez de ciertos tipos de Helio o la superconductividad de algunos materiales. Por otro lado, la física nuclear o productos tecnológicos como el microscopio electrónico, basado en el denominado “efecto túnel”, se sustentan en los principios de la mecánica cuántica. Cabe señalar que ésta sirve para describir no sólo las interacciones electromagnéticas, sino además las denominadas interacciones “fuertes”, responsables de las fuerzas nucleares y las “débiles”, asociadas al decaimiento radioactivo. En todos estos sentidos, este modelo es tremendamente exitoso. Más aún, la física de partículas teórica y experimentalmente ha dado cuenta de la existencia de la mayoría de las partículas elementales que median o que hacen posible dichas interacciones (gluones-interacciones fuertes, bosones W y Z - interacciones débiles, etc.).

En este contexto, la pregunta que surge en forma natural es: qué pasa con la gravedad a niveles microscópicos. Si, por ejemplo, la interacción electromagnética clásica (campo electromagnético) entre partículas admite una versión a nivel microscópico (cuántico) y ésta es  facilitada por otra partícula, en este caso un fotón (partícula de luz) por qué no puede suceder lo mismo con la gravedad. ¿Existe una partícula que medie en la interacción gravitatoria a nivel cuántico, es decir, a escalas muy pequeñas?. El hecho de que tanto el campo electromagnético clásico como otros campos conocidos pudiesen ser “cuantizados” condujo a suponer que el campo gravitacional debiera admitir una formalización similar. La partícula asociada a la fuerza gravitacional es el denominado “gravitón”, sin embargo, su existencia física resulta técnicamente imposible de demostrar actualmente. El escenario se complica aún más debido a que, en la práctica, todos los intentos por cuantizar la gravedad han resultado vanos por motivos diversos.

Después de un largo período de esfuerzos infructuosos por tratar de conseguir la requerida conciliación entre mecánica cuántica y relatividad general (cuantización de la gravedad),  surge, entre otros intentos, la denominada teoría de cuerdas (String Theory), como tentativa de fusionar las dos primeras en una sola visión unificada de la realidad. Eminentemente matemático, este modelo cuenta con férreos defensores y detractores acérrimos. A pesar de que en este modelo el “gravitón” emerge en forma natural, las principales críticas apuntan  a su complejidad y a la introducción de elementos (las partículas serían modos vibracionales de cuerdas) cuya existencia es de imposible verificación experimental (al menos por ahora), incluida la introducción de una multiplicidad de nuevas dimensiones, a nivel microscópico.

La cuantización de la gravedad, probablemente, seguirá siendo un problema abierto por mucho tiempo, pero estamos seguros de que la búsqueda de solución al problema generará muchos descubrimientos, tanto teóricos (físicos y matemáticos) como tecnológicos (aceleradores de partículas más poderosos, métodos observacionales indirectos principalmente astronómicos, etc.).   

En ciencia, es condición necesaria y suficiente el que las preguntas que se planteen y las respuestas generadas se encuentren en concordancia con la realidad, si lo que se pretende es explicarla. A diferencia de otras áreas de la actividad humana, aquí el dogma está prohibido, lo que no descarta, por supuesto, la pasión.

En el caso del anhelo –muy legítimo por lo demás– por integrar diferentes teorías, distintas perspectivas respecto de la estructura del universo, aún cuando hemos recorrido mucho camino, hay que reconocer que queda un horizonte muy amplio por escudriñar y muchas herramientas teóricas y técnicas por desarrollar. Eso hace espeluznante esta aventura.