Los físicos que han vagado por el "paisaje" de la teoría de cuerdas, un espacio de miles y miles de millones de soluciones matemáticas para una teoría en la que cada solución proporciona las ecuaciones con las que los físicos tratan de describir la realidad, se toparon con un subconjunto de tales ecuaciones que incluyen tantas partículas de materia como existan. en nuestro universo. Sin embargo, este subconjunto es enorme: existen al menos un billón de estas soluciones. Este es el hallazgo más grande en la historia de la teoría de cuerdas.
El universo en la teoría de cuerdas
Según la teoría de cuerdas, todas las partículas y fuerzas fundamentales se generan mediante la vibración de cuerdas diminutas. Para lograr una coherencia matemática, estas cuerdas vibran en un espacio-tiempo de 10 dimensiones. Y por coherencia con nuestra experiencia cotidiana habitual de existencia en el Universo, con tres dimensiones espaciales y una temporal, las seis dimensiones adicionales están "compactadas" para que no puedan ser detectadas.
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Diferentes compactaciones conducen a diferentes soluciones. En la teoría de cuerdas, "solución" se refiere al vacío del espacio-tiempo, que se rige por la teoría de la gravedad de Einstein combinada con la teoría cuántica de campos. Cada solución describe un universo único, con su propio conjunto de partículas, fuerzas fundamentales y otras propiedades definitorias.
Algunos teóricos de cuerdas han centrado sus esfuerzos en tratar de encontrar formas de relacionar la teoría de cuerdas con las propiedades de nuestro universo observable conocido, específicamente, el Modelo estándar de física de partículas, que describe todas las partículas y fuerzas conocidas excepto la gravedad.
Gran parte de este esfuerzo proviene de una versión de la teoría de cuerdas en la que las cuerdas interactúan débilmente. Sin embargo, durante los últimos veinte años, una nueva rama de la teoría de cuerdas llamada teoría F ha permitido a los físicos trabajar con cuerdas que interactúan fuertemente o están estrechamente acopladas.
“Los resultados interesantes son que cuando la relación es grande, podemos comenzar a describir la teoría de manera muy geométrica”, dice Miriam Tsvetik de la Universidad de Pennsylvania en Filadelfia.
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Esto significa que los teóricos de cuerdas pueden usar la geometría algebraica, que usa métodos algebraicos para resolver problemas geométricos, para analizar diferentes formas de compactar dimensiones adicionales en la teoría F y encontrar soluciones. Los matemáticos estudian de forma independiente algunas de las formas geométricas que aparecen en la teoría F. “Nos proporcionan a los físicos una gran cantidad de herramientas”, dice Ling Lin, también de la Universidad de Pennsylvania. "La geometría es realmente muy importante, es el 'lenguaje' lo que hace que la teoría F sea una estructura poderosa".
Cuatrillones de universos
Entonces, Tsvetik, Lin, James Halverson de la Northeastern University en Boston usaron estos métodos para identificar una clase de soluciones con modos de cuerda vibrante que conducen al mismo espectro de fermiones (o partículas de materia) como se describe en el Modelo Estándar, incluida la propiedad, debido a que los fermiones son de tres generaciones (por ejemplo, electrón, muón y tau son tres generaciones del mismo tipo de fermiones).
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Las soluciones de la teoría F descubiertas por Tsvetik y sus colegas también incluyen partículas que exhiben quiralidad (falta de simetría entre los lados derecho e izquierdo) del Modelo Estándar. En la terminología de la física de partículas, estas soluciones reproducen el "espectro quiral" exacto de las partículas en el modelo estándar. Por ejemplo, los quarks y leptones en estas soluciones tienen versiones izquierda y derecha, como en nuestro universo.
El nuevo trabajo muestra que hay al menos un billón de soluciones en las que las partículas tienen el mismo espectro quiral que en el Modelo Estándar, 10 órdenes de magnitud más de soluciones que las que se han encontrado en la teoría de cuerdas hasta ahora. “Esta es, con mucho, la subclase más grande de soluciones de modelo estándar”, dice Tsvetik. "Lo que es sorprendente y agradable es que todo está en la teoría de cuerdas estrechamente acoplada donde la geometría nos ayuda".
Cuatrillones es un número extremadamente grande, aunque mucho menos que el número de soluciones en la teoría F (que en el último recuento es de aproximadamente 10 272 000). Y debido a que es un número extremadamente grande que delata algo no trivial y verdadero en la física de partículas en el mundo real, será estudiado con el mayor rigor y seriedad, dice Halverson.
La exploración adicional incluirá la identificación de vínculos más fuertes con la física de partículas en el mundo real. Los investigadores deben identificar las conexiones o interacciones entre las partículas en las soluciones de la teoría F, que nuevamente dependen de los detalles geométricos de la compactación extradimensional.
Es muy posible que en el espacio de un billón de soluciones haya algunas soluciones que conduzcan a la desintegración de un protón en escalas de tiempo previsibles. Esto contradeciría claramente el mundo real, ya que los experimentos no revelaron ningún signo de desintegración de protones. O los físicos podrían buscar soluciones que implementen el espectro de partículas del Modelo Estándar, preservando al mismo tiempo la simetría matemática (paridad R). Esta simetría prohíbe ciertos procesos de desintegración de protones y sería muy atractiva desde el punto de vista de la física de partículas, pero está ausente en los modelos modernos.
Además, este trabajo asume la existencia de supersimetría, es decir, todas las partículas estándar tienen partículas asociadas. La teoría de cuerdas necesita esta simetría para asegurar la consistencia matemática de las soluciones.
Pero para que cualquier teoría de supersimetría se ajuste al universo observable, la simetría debe romperse (al igual que colocar cubiertos y un vaso en el lado izquierdo o derecho fuera de sincronía rompería la simetría de la mesa). De lo contrario, las partículas asociadas tendrán la misma masa que las partículas del modelo estándar, lo que definitivamente no es el caso, ya que no hemos visto ninguna de esas partículas asociadas en nuestros experimentos.
Ilya Khel
