Supersimetría: una teoría que aúna las cuatro fuerzas de la naturaleza abre el camino a una nueva Física

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La física lleva más de 50 años tratando de construir una teoría que reúna las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: interacción nuclear fuerte, interacción nuclear débil, interacción electromagnética e interacción gravitatoria. Durante este tiempo, los intentos no han encontrado confirmación experimental y el Modelo estándar, un constructo teórico que, aunque antiguo y seguramente incompleto, sigue resultando sorprendentemente efectivo, se ha mantenido en uso durante años como nuestra mejor descripción del mundo cuántico. Ahora, un esquema publicado en Physical Review Letters, unifica todas las fuerzas de la naturaleza de una manera que es consistente con las observaciones existentes y anticipa la existencia de nuevas partículas con propiedades inusuales, que incluso pueden estar presentes en nuestros alrededores.

En el documento, Krzysztof Meissner del Instituto de Física Teórica de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia (Polonia) y Hermann Nicolai del Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik en Potsdam (Alemania) presentaron un nuevo esquema de generalización del Modelo Estándar que incorpora la gravitación en la descripción. Las deficiencias de los intentos anteriores se superaron mediante la aplicación de un tipo de simetría que no se usaba anteriormente en la descripción de partículas elementales.

Las simetrías que gobiernan el mundo de las partículas elementales en el nivel más elemental podrían ser radicalmente diferentes de lo que se ha pensado hasta ahora. En física, las simetrías no tienen un significado estrictamente idéntico al que le damos en el uso coloquial. Los expertos intentan clarificar el concepto con un ejemplo: si dejamos caer una bola desde el mismo lugar ahora o dentro de un minuto, seguirá cayendo de la misma manera. Esa es una manifestación de cierta simetría: las leyes de la física permanecen sin cambios con respecto a los cambios en el tiempo. De manera similar, podemos dejar caer la pelota mientras estamos parados y mirando hacia el sur, una vez hacia el oeste, o podemos dejarla caer desde la misma altura en una ubicación, luego en otra. La pelota seguirá cayendo de la misma manera en ambos casos, lo que significa que las leyes de la física son simétricas también con respecto a las operaciones de rotación y desplazamiento espacial, respectivamente.

"Las simetrías desempeñan un gran papel en la física porque están relacionadas con los principios de conservación. Por ejemplo, el principio de conservación de la energía implica simetría con respecto a los cambios en el tiempo, el principio de conservación del momento se relaciona con la simetría del desplazamiento espacial, y el principio de la conservación del momento angular se relaciona con la simetría rotacional ", explica Meissner.

Teoría supersimétrica

"La supersimetría es una teoría de gran belleza matemática que promete resolver muchos problemas matemáticos que aparenta tener el modelo estándar. Una teoría cuántica de campos con supersimetría (global) asocia a cada partícula de tipo bosón una partícula de igual masa de tipo fermión, llamada supercompañera, y viceversa, a cada fermión se le asocia una superpartícula de tipo bosón”, explica Francisco R. Villatoro en este artículo de Naukas. Y la supergravedad “resulta de la combinación de la supersimetría y de la gravedad. La extensión supersimétrica mínima de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein en cuatro dimensiones se llama supergravedad N=1 en 4D; el modelo estándar es una teoría quiral, pero la supergravedad en dimensión cuatro lo es solamente para N=1”, añade.

El esfuerzo por diseñar una teoría supersimétrica, destinada a describir las simetrías entre fermiones y bosones, comenzó en la década de 1970. Los fermiones son partículas elementales que incluye quarks y leptones, entre los que se encuentran los electrones, muones, tauones y sus neutrinos asociados, así como sus antipartículas.

En las teorías de supergravedad en cuatro dimensiones espaciotemporales, no puede haber más de ocho rotaciones supersimétricas diferentes. Cada una de estas teorías tiene un conjunto de campos estrictamente definido (grados de libertad) con diferentes giros (0, 1/2, 1, 3/2 y 2), conocidos respectivamente como los campos de los escalares, fermiones, bosones, gravitinos y gravitones. Para la supergravedad N = 8, que tiene el número máximo de rotaciones, hay 48 fermiones (con giro 1/2), 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 naturaleza.

Uno de los problemas en la incorporación del modelo estándar en la supergravedad N = 8 fue la de las cargas eléctricas de los 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 primera vez por Murray Gell-Mann hace más de 30 años, no se resolvió hasta 2015, cuando los profesores Meissner y Nicolai presentaron el mecanismo respectivo para modificar la simetría U (1): tanto el mecanismo de conciliación de las cargas eléctricas de las partículas como la mejora que incorpora la fuerza débil demostraron pertenecer a un grupo de simetría conocido como E10. A diferencia de los grupos de simetría utilizados anteriormente en las teorías de unificación, E10 es un grupo infinito, muy poco estudiado incluso en el sentido puramente matemático.

Los científicos habían trabajado en este grupo antes, porque aparecía como una simetría en la supergravedad N = 8 en condiciones similares a las de los primeros momentos después del Big Bang, cuando solo una dimensión era significativa: el tiempo. "Por primera vez, tenemos un esquema que anticipa con precisión la composición de los fermiones en el Modelo Estándar - quarks y leptones - y lo hace con las cargas eléctricas adecuadas. Al mismo tiempo, incluye la gravedad en la descripción”, afirman los investigadores.

Aunque la dinámica aún no se comprende, el esquema propuesto hace predicciones específicas. Mantiene el número de fermiones de 1/2 vuelta como en el Modelo estándar, pero por otro lado sugiere la existencia de nuevas partículas con propiedades muy inusuales. Es importante destacar que al menos algunos de ellos podrían estar presentes en nuestro entorno inmediato, y su detección debería estar dentro de las posibilidades de los equipos de detección modernos. Si se confirma “el papel de este grupo, eso significará un cambio radical en nuestro conocimiento de las simetrías de la naturaleza", concluye Meissner.

Beatriz de Vera

Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma

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