Grupos de investigación

Cuerdas para atar teorías

laboratorios — por el 06/06/2014 a las 13:30

En el universo de las partículas subatómicas las cosas suceden de modos que parecen extraños. Los quarks que componen los protones y neutrones se resisten a alejarse unos de otros como si estuvieran unidos por cuerdas. De este modo, parece natural describir la física en términos de cuerdas y no de partículas puntuales. Al estudio de la Teoría de Cuerdas se dedica Carmen Núñez y su equipo.

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“En los años 70 se exploró la posibilidad de que todas las partículas conocidas fueran los distintos modos de vibración de un único objeto fundamental, que sería una cuerda microscópica. Esta idea fue pulida y puesta a punto en los 80 y la gran sorpresa fue que la Teoría de Cuerdas se reveló como una teoría unificada de todas las interacciones fundamentales”, relata Carmen Nuñez.

“En los años 70 se exploró la posibilidad de que todas las partículas conocidas fueran los distintos modos de vibración de un único objeto fundamental, que sería una cuerda microscópica. Esta idea fue pulida y puesta a punto en los 80 y la gran sorpresa fue que la Teoría de Cuerdas se reveló como una teoría unificada de todas las interacciones fundamentales”, relata Carmen Nuñez.

“La Teoría de Cuerdas fue formulada en los años ‘60 para describir cierto régimen de la física de las partículas elementales. Los quarks, que se encuentran dentro de los protones y neutrones que componen el núcleo atómico, se resisten a alejarse unos de otros, como si estuvieran unidos por cuerdas. En ese régimen, por lo tanto, parece natural describir la física en términos de cuerdas y no de partículas puntuales”, explica con suma claridad Carmen Núñez, investigadora del Instituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE) y docente del Departamento de Física de Exactas UBA. “En los años 70 se exploró la posibilidad de que todas las partículas conocidas fueran los distintos modos de vibración de un único objeto fundamental, que sería una cuerda microscópica. Esta idea fue pulida y puesta a punto en los 80 y la gran sorpresa fue que la Teoría de Cuerdas se reveló como una teoría unificada de todas las interacciones fundamentales, incluyendo la gravedad cuántica”, agrega.

Núñez dirige el grupo de Teoría de Cuerdas, con el que estudia los límites de bajas energías de esa teoría y su relación con la fenomenología del universo observable. “En particular, nos interesa la relación entre la Teoría de Cuerdas y el Modelo Estándar de las interacciones fundamentales, que es el modelo vigente para la descripción de las partículas elementales pues ha sido corroborado en todos los experimentos realizados hasta el presente con una precisión asombrosa”, dice.

Si la Teoría de Cuerdas es realmente una teoría unificadora, aún es materia de debate, pero hay bastante evidencia favorable. “Por un lado, los problemas que aparecen cuando se trata de unificar la Teoría de la Relatividad General de Einstein con la Mecánica Cuántica no aparecen en la Teoría de Cuerdas. Además, no hay parámetros adimensionales que se puedan ajustar; si los hubiera, cuando esos parámetros toman distintos valores se obtendrían distintas teorías con predicciones potencialmente diferentes. Otro indicio de la unicidad de esta teoría es que la dimensionalidad del espacio-tiempo está fija, es consecuencia de la consistencia matemática, a diferencia del Modelo Estándar en el cual el número de dimensiones se usa para construir la teoría”, explica la investigadora.

Carmen Nuñez junto a su grupo de investigadores.

(De izq. a der.) Diego Marquéz, Víctor Penas, Carmen Nuñez, Oscar Bedoya, Yago Cagnacci, Sergio Iguri.

Pero la cosa no es tan sencilla. El número de dimensiones necesarias para que la Teoría de Cuerdas sea consistente no es 4 sino 10. Se acepta que 6 de las 10 dimensiones son compactas y lo suficientemente pequeñas como para no haber sido observadas hasta ahora en los colisionadores de partículas. Este mecanismo se llama compactificación. Las dimensiones extra pueden adoptar distintas geometrías y cada geometría da lugar a una teoría efectiva en cuatro dimensiones cuyas características dependen de las propiedades del espacio compacto. Así, la unicidad y predictibilidad de la teoría en 10 dimensiones, se pierden al compactificar las dimensiones extra. Por otro lado, la Teoría de Cuerdas tiene muchas simetrías que no se encuentran en las teorías de campos de partículas puntuales. Por ejemplo, a diferencia de las partículas, las cuerdas pueden enrollarse en el espacio compacto, y esta propiedad se manifiesta como una simetría de la teoría, llamada T-dualidad.  “Hay también otras dualidades y simetrías que no han sido observadas en la naturaleza. Los temas que estamos estudiando en nuestro grupo apuntan a explorar mecanismos de rotura de estas simetrías y consecuencias de las dualidades en el proceso de compactificación”, agrega Núñez.

El Modelo Estándar de las partículas elementales y la Relatividad General de Einstein son consistentes con toda la física que ha sido observada hasta la actualidad. Sin embargo, a pesar de sus éxitos, estas teorías no están completas. Muchos de los parámetros del Modelo Estándar son introducidos ad hoc y son más chicos de lo esperable por motivos teóricos. Por otro lado, existe la mencionada inconsistencia en la unión de la Relatividad General con la Mecánica Cuántica. La Relatividad General tampoco puede explicar las llamadas singularidades, regiones del espacio-tiempo donde el campo gravitatorio se hace infinito. “Lo que guía el desarrollo de la Teoría de Cuerdas es la resolución de estos problemas. La idea es crear y usar la matemática adecuada para resolverlos y en ese proceso, predecir fenómenos que aún no han sido observados experimentalmente así como otros que permiten conocer el universo en formas que incluso pueden no ser accesibles experimentalmente”, sostiene la especialista.

La Teoría de Cuerdas ha llevado a descubrir relaciones nuevas e inesperadas en otras ramas de la física teórica y de la matemática. “En un plano más especulativo, la verificación experimental de Teoría de Cuerdas podría cambiar nuestras ideas sobre el universo. Por ejemplo, la aparición de dimensiones extra podría llevarnos a imaginar un mundo completamente nuevo: cada punto  del espacio sería una pequeña pelota que no podríamos ver pero sabríamos que está ahí. También el origen del universo o la posible existencia de universos paralelos, conectados o no con el nuestro, podrían develarse y modificar nuestras concepciones acerca de nuestro lugar en el cosmos”, cierra Núñez.

 

Grupo de Teoría de Cuerdas

(IAFE – Departamento de Física)

1er piso, Pabellón IAFE, 4781-6755 o 4783-2642 internos 137 y 138

http://iafestrings.wix.com/iafestrings

Dirección: Dra. Carmen Núñez.

Investigadores: Dr. Pablo Minces, Dr. Sergio Iguri, Dr. Diego Marqués

Becarios posdoctorales: Dr. Oscar. Bedoya, Dr. Alejandro Rosabal.

Tesistas de doctorado: Lic. Victor Penas, Lic. Yago Cagnacci.

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