Física de altas energías

Entre la cuántica y la relatividad

laboratorios — por el 04/12/2013 a las 16:09

Cuando se habla de energías tan altas como las que actuaron en el nacimiento del Universo, las leyes de la Física clásica comienzan a tener problemas. Sólo con la teoría de cuerdas, que aúna elementos de la cuántica y de la relatividad, los investigadores pueden abordar fenómenos tan complejos. De eso se trata la labor de Gastón Giribet y su grupo de trabajo.

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Ilustración: Teoría de Cuerdas. Copyright 2010 by Hal Tenny

Ilustración: Teoría de Cuerdas. Copyright 2010 by Hal Tenny

Un pizarrón repleto de números y ecuaciones. Varios hombres –en lo posible despeinados, con anteojos y guardapolvo (aunque no es el caso)– concentrados y discutiendo, parados frente a él, es el estereotipo más clásico del físico; por lo menos del físico teórico. Gastón Giribet lo sabe y lo asume. Forma parte del Grupo de Física Teórica de Altas Energías, un grupo que se organiza en forma horizontal, sin directores, para estudiar concienzudamente qué sucede con los componentes de la materia a altísimas energías; las mismas que sacudieron al universo cuando era un recién nacido. “Nos reunimos diariamente durante horas, discutimos frente al pizarrón, tomamos litros de café, y leemos artículos relacionados con nuestro campo. Tenemos encuentros semanales en los que discutimos los avances que cada uno de nosotros va teniendo”, describe su trabajo Giribet y uno casi puede imaginarlos. “Nuestra área es, de entre todas las subdisciplinas de la física, la más cercana a la matemática. Por ende, la metodología de trabajo no dista mucho de la de un matemático. Si bien los fenómenos de la naturaleza nunca dejan de estar presentes como motivación y como objeto último de estudio, nuestro regente cotidiano es la consistencia matemática de las teorías que planteamos y tratamos de resolver”, agrega.

Esas teorías pertenecen al área llamada Física teórica de altas energías. “Cuando decimos ‘altas energías’ nos referimos a los regímenes de energías alcanzados en los primeros instantes del universo, cuando éste no llegaba a los 10-42 segundos de vida y toda la materia-energía que hoy existe en él se hallaba concentrada en un primigenio universo de tan solo 10-35 metros. Una concentración de materia-energía tal no es sólo inimaginable sino que es, además, inabordable con las teorías físicas que hoy sabemos bien establecidas. De hecho, los fenómenos que ocurren a esas escalas son 16 órdenes de magnitud más energéticos que cualquier fenómeno que nos haya sido dado observar hasta la actualidad en los más potentes aceleradores de partículas del mundo. Por esto, al tratar de responder a preguntas sobre cómo se comportan los constituyentes de la materia a dichas escalas, es ineluctable recurrir a teorías especulativas de la física teórica y adentrarse, así, en el terreno de la conjetura, donde el único rector de la investigación es la consistencia lógico-matemática de las construcciones teóricas involucradas”, explica Giribet.

“Una de las primeras conclusiones a las que uno arriba luego de estudiar las ecuaciones involucradas –continúa explicando Giribet- es que a escalas de tan alta energía (10+19 GeV) se hace imprescindible tener en cuenta tanto la mecánica cuántica como la teoría de la relatividad general. Estas dos teorías, sin embargo, rehúsan ser conciliadas y al mínimo intento por juntarlas muestran inherentes incompatibilidades. A bajas energías, esto no es un problema porque los fenómenos relativistas son desdeñables. Pero si lo que se pretende es estudiar fenómenos de muy alta energía, entonces ya no se puede prescindir ni de la cuántica ni de la relatividad, y es así como se enfrenta al problema físico-matemático de formular una nueva teoría que logre convencer a la relatividad y a la cuántica de convivir en armonía”.

Gastón Giribet y su grupo de investigación. Foto: Diana Martinez Llaser. CePro-EXACTAS

Gastón Giribet (en el centro) y su grupo de investigación. Foto: Diana Martinez Llaser. CePro-EXACTAS

Hoy, el único marco teórico que logra esta comunión es la llamada teoría de cuerdas, que propone reemplazar la noción de partícula puntual por la noción de objetos extendidos. Según esta teoría, los mínimos constituyentes de toda la materia y las fuerzas que conocemos serían pequeñísimas cuerdas vibrantes, infinitamente delgadas. La vibración de las cuerdas depende de la energía a la que se las someta. A escalas de energías como las que estamos acostumbrados a experimentar en nuestra vida cotidiana (e incluso en aceleradores de partículas) estas cuerdas no vibran y se comportan prácticamente como partículas. En cambio, a escalas de energías altas, las cuerdas sí vibran y comienzan a comportarse de manera muy diferente a las partículas.

“Si bien las limitaciones tecnológicas no permiten experimentar directamente con fenómenos energéticos de esta naturaleza, éstos sí ocurrieron en el universo temprano y, por lo tanto, pudieron haber dejado su impronta allí. Además, fenómenos similares también podrían ocurrir hoy en rincones lejanos del universo, en las regiones cercanas a las superficies de los agujeros negros. Cerca de ellos el campo gravitatorio es muy intenso y, debido a esto, para entender sus propiedades debemos inevitablemente recurrir a la teoría de cuerdas”, dice el investigador.

El trabajo del equipo se hace en colaboración con colegas de otras universidades, como los de la Universidad de La Plata, el Centro de Estudios Científicos de Chile y, en los últimos años, Harvard University, con quienes recientemente escribieron varios trabajos en coautoría. También colaboran con científicos de la Universidad de Milán-Bicocca, Humboldt University y New York University, entre otras.

”La comprensión del universo en el que vivimos afecta también de manera profunda nuestra manera de ver el mundo”, sostiene Giribet.

 

Grupo de Física Teórica de Altas Energías

(Departamento de Física)

2do. piso, Pabellón I, 4576-3353.

http://users.df.uba.ar/gaston/HEPTh.html

Integrantes: Gastón Giribet, Alan Garbarz, Daniel López-Fogliani, Matías Leoni, Mauricio Leston, Guillem Pérez-Nadal, Osvaldo Santillán.

Tesistas de doctorado: Andrés Goya.

Integrantes en la Universidad Nacional de La Plata: Marcelo Botta-Cantcheff, Diego Correa, Nicolás Grandi, Guillermo Silva, Martín Schvellinger.

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