Protones hacen vibrar la teoría de cuerdas

Después de siete años de trabajo de cientos de físicos teóricos y experimentales, ingenieros y programadores de diversos países, incluidos mexicanos, recientemente se dio a conocer el descubrimiento del plasma de quarks y gluones, la misteriosa “sopa primordial” en colisión de protones.

La sorpresa es que esta sopa, de la cual provenimos nosotros y toda la materia a nuestro alrededor, y que se formó una millonésima de segundo después de la Gran Explosión que dio origen al universo, se encontró en colisiones de protones, ya que hasta el momento solo se había recreado en colisiones de iones pesados.

Este hallazgo, que reportó el experimento A Large Ion Collider Experiment (ALICE) del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) en la prestigiada revista Nature, se suma a otras novedades que han surgido del estudio del plasma de quarks y gluones en años recientes, incluido el hecho de que esta sopa pudiera representar el primer acercamiento experimental de la teoría de cuerdas.

No hay verdades absolutas

En la ciencia no hay verdades absolutas. Los avances científicos que revolucionan el conocimiento se pueden dar en cualquier parte, e incluso en aquellas que ya se creían exploradas, lo cual quizás sea uno de los aspectos más excitantes para los científicos.

Tal es el caso del plasma de quarks y gluones (QGP, por sus siglas en inglés) que es como una sopa caliente, en la cual los protones y neutrones de los que estamos hechos están derretidos en sus componentes más básicos.

Producir este plasma es una verdadera hazaña porque hace falta generar temperaturas de billones de grados, es decir, cien mil veces más altas que las que existen en el centro del sol.

Tras décadas de esfuerzo, esto se logró con choques muy violentos de iones pesados (normalmente núcleos de plomo o de oro), en varios colisionadores de partículas, incluyendo el LHC.

Pero lo que recientemente sorprendió a los físicos es que se han encontrado evidencias de que el QGP se logra producir también en algunas colisiones de protones, lo cual es completamente extraño, ninguna teoría lo predice.

De hecho, el estudio de colisiones de protones no es una de las temáticas principales de ALICE, incluso en la jerga de los físicos y en los pasillos del LHC se decía que los estudios de las colisiones de protones eran estudios “de sesgo mínimo”, es decir, que no había muchas cosas nuevas que ver ahí.

“Mira cómo son las cosas, que ALICE viene a encontrar en colisiones de protones algo interesante (…) Y es que la ciencia es así, en donde tú piensas que ya no hay nada más que observar, te da la sorpresa”, así lo expresó Gerardo Herrera Corral, coordinador del grupo mexicano en el experimento ALICE.

Más de 60 mil horas de trabajo

Esta “sorpresa” no fue fácil de encontrar, ya que contrario a otros descubrimientos como el de las ondas gravitacionales, las cuales se manifestaron en el segundo día de operación de la nueva fase del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO, por sus siglas en inglés), el hallazgo del plasma de quarks y gluones en colisiones de protones tomó siete años.

En 2010 comenzó la primera corrida del LHC, y desde entonces empezaron a tomarse datos de las más de 600 millones de colisiones de protones por segundo que se realizan en el experimento ALICE. Esto es un gran reto, ya que cada minuto se genera una gran cantidad de información que luego debe ser analizada y procesada.

A finales de 2010, las colisiones de protones aún no arrojaban indicios del plasma de quarks y gluones. Posteriormente, toda la información que se generó en 2010 se comparó con la de 2011 y 2012.

En 2013 y 2014, el LHC estuvo en pausa para que sus equipos y detectores fueran reparados o actualizados. En ese lapso se añadió a ALICE el subdetector mexicano ALICE Diffractive (AD), el cual se sumó a los otros dos instrumentos mexicanos: ALICE Cosmic Ray Detector (ACORDE) y V0. Este último fue uno de los tres (de los 19 que conforman a ALICE) que participaron en el hallazgo del plasma de quarks y gluones en colisiones de protones.

Fue en ese tiempo que se empezó a ver que algo interesante podía resultar; pero antes de que la presencia del plasma de quarks y gluones se viera claramente, tuvieron que pasar más de 60 mil horas de trabajo de cientos de científicos de todo el mundo.

En las primeras reuniones solo estaba la gente de los detectores involucrados, y en la medida de que el análisis de los resultados se volvía más interesante y dejaba ver que algo nuevo estaba por descubrirse, más gente del experimento se involucraba.

“Son reuniones que se vuelven discusiones muy intensas y acaloradas, en las que se analizan todos los factores que pudieran arrojar datos erróneos. Antes de salir con la publicación y el anuncio de un descubrimiento tan importante, se debe analizar y revisar muchas veces todo, porque está en juego el trabajo y prestigio de cientos de científicos”, relató Herrera Corral, quien es miembro nivel III del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt).

Así, después de más de 200 reuniones semanales a distancia, más de 50 mensuales y cinco anuales, se llegó a la conclusión de que lo que realmente estaban viendo los físicos en choques de protones era ese primitivo, denso y candente plasma de quarks y gluones.

Eso se tenía que comunicar a través de un artículo científico, y ahí empezó otro gran proceso de consenso, porque al ser una colaboración de cientos de científicos, la redacción de un paper no es cosa fácil.

El reto de hacer un paper con cientos de colaboradores

Se estableció entonces un comité de cuatro personas que serían los encargados de redactar ese artículo, que recopilaba información y gráficas de las miles de notas técnicas que se generaron durante los siete años.

Ya que el artículo estuvo redactado pasó a un comité de revisión de la colaboración, para que todos los involucrados estuvieran conformes con lo que se mandaría a la editorial. “Otra vez, son discusiones intensas; los científicos peleamos hasta el tipo de gráficas que se van a utilizar”, comentó Herrera Corral.

Después de este proceso de redactar y llegar a un consenso respecto al artículo científico, por fin se procede a enviarlo a la editorial, y una vez que la editorial lo acepta hay un embargo total de la información. Nadie puede decir nada hasta que se publica.

Una vez que la editorial lo publica y manda su comunicado de prensa, los científicos dan conferencias a los medios de comunicación o charlas de divulgación en sus países, lo cual no es tan común que suceda en México, ya que los investigadores mexicanos están más enfocados en la producción científica para cumplir con los requisitos o “puntos” que establecen los sistemas de evaluación del país.

Y cómo no preocuparse si en estos experimentos se puede trabajar hasta 15 años —en el diseño, desarrollo e instalación de detectores— sin publicar un artículo científico. Esto le sucedió a los primeros científicos mexicanos que empezaron a colaborar en el LHC, como es el caso de Herrera Corral, adscrito al Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav).

No obstante, en el hallazgo del plasma de quarks y gluones en colisiones de protones, Gerardo Herrera Corral e Ildefonso León Monzón, investigador de la Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS) —dos de los miembros mexicanos de la colaboración de ALICE—, ofrecieron una conferencia de prensa en la Ciudad de México.

Los científicos estaban emocionados por dar a conocer este hallazgo y, a pesar de que ambos investigadores tienen experiencia en la comunicación de la ciencia, resultó complicado explicar a la prensa por qué era tan importante este descubrimiento.

Quizás lo que les faltó a los investigadores fue tiempo, porque no es sencillo explicar en 30 minutos y de forma entendible para personas que no son especialistas en física de altas energías, todo los aspectos interesantes del QGP, incluyendo el hecho de que podría ser la primera aproximación experimental de la teoría de cuerdas, la cual ha sido muy criticada por ser una propuesta muy abstracta.

¿Qué es la teoría de cuerdas?

La teoría de cuerdas es una propuesta para describir el origen microscópico de la gravedad, y propone que las partículas elementales que conocemos en la naturaleza, vistas muy de cerca, son en realidad cuerdas vibrantes y rotantes mucho más pequeñas que los núcleos atómicos, explicó Óscar Loaiza Brito, investigador del Departamento de Física, de la Universidad de Guanajuato, campus León.

A muy grandes rasgos, esta teoría propone que cada frecuencia de vibración de las cuerdas, como cada frecuencia de las cuerdas de una guitarra, corresponde a una partícula diferente, con sus propias características.

De esta manera, las cuerdas podrían describir simultáneamente a las partículas responsables de las cuatro fuerzas de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte, indicó el físico teórico especialista en teoría de cuerdas.

Un viaje a las cinco dimensiones de Maldacena

Pero ¿cómo se relaciona esta teoría con el plasma de quarks y gluones? Pues resulta que “muy inesperadamente, el estudio del QGP ha tenido un impacto sobre las investigaciones en teoría de cuerdas, y viceversa”, explicó el investigador Alberto Güijosa Hidalgo, del Instituto de Ciencias Nucleares, de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).

“La aplicación más famosa y más ambiciosa de la teoría de cuerdas es darnos una sola teoría que explique absolutamente todo lo que existe en el universo. Aunque hay muchos indicios prometedores, no sabemos si esa meta se logrará o no algún día. Pero en donde la teoría de cuerdas ya tuvo éxito es en otra aplicación muy diferente, menos ambiciosa, donde se le utiliza como una herramienta para tratar de entender una cosa a la vez”.

Los quarks y los gluones interactúan entre sí a través de la fuerza fuerte, llamada así porque en muchas circunstancias de interés es muy intensa, es el “pegamento” más fuerte del universo. El aspecto más interesante del QGP que se encuentra en los experimentos es precisamente que la fuerza fuerte que opera entre sus constituyentes (quarks y gluones) es muy intensa, lo cual hace imposible analizar muchas de sus propiedades con los métodos tradicionales de la física de partículas.

No obstante, hace 20 años, el físico argentino Juan Maldacena, del Instituto para Estudios Avanzados en Princeton, Estados Unidos, hizo un revolucionario descubrimiento conocido como la correspondencia holográfica (o AdS/CFT), “que cambió radicalmente nuestra comprensión de la física teórica, y entre muchas otras cosas ha permitido estimar los valores de algunas propiedades del plasma de quarks y gluones, como por ejemplo, su viscosidad”, indicó Güijosa Hidalgo.

“Lo que es increíble es que estos estudios han tenido cierto éxito a pesar de que el cálculo procede traduciendo la situación de interés a otro lenguaje que a primera vista parece totalmente distinto. En específico, después de la traducción, el QGP se convierte en un hoyo negro que vive en más dimensiones”, señaló.

Estudiando las propiedades de ese hoyo negro, se pueden entonces hacer cálculos sobre el plasma que serían imposibles de realizar con otras técnicas. Por ejemplo, la viscosidad del QGP se determina calculando qué tan probable es que el hoyo negro absorba gravitones —partículas mensajeras de la fuerza de gravedad.

“Quizás esto suena completamente absurdo, pero una y otra vez, los resultados son cercanos a los que se extraen a partir de datos experimentales del QGP”, indicó Güijosa Hidalgo, miembro nivel II del SNI.

¿Y la cromodinámica cuántica?

No obstante, no todo es armonioso: una limitación importante de estos estudios es que el “diccionario” que nos proporciona Maldacena para hacer esta traducción “no lo conocemos directamente para la teoría que sabemos que describe al QGP y a la fuerza fuerte del mundo real, llamada cromodinámica cuántica (QCD, por sus siglas en inglés), que es parte del modelo estándar, la teoría que describe muy exitosamente la composición microscópica de todo lo que podemos ver en el universo”, explicó.

Pese a esta limitación, con el “diccionario” de la correspondencia holográfica se tiene acceso a muchas teorías diferentes, y entre ellas hay algunas que son hasta cierto punto similares a la cromodinámica cuántica.

“Los cálculos que se hacen con este método son entonces solo caricaturas burdas de los cálculos que en realidad quisiéramos poder hacer.  Pero, como es muy poco lo que podemos entender del QGP con otras herramientas, el nivel burdo de entendimiento que nos da la correspondencia holográfica representa un avance importante en nuestra comprensión del tema”, mencionó.

De esta manera, los resultados aportados por la correspondencia holográfica han servido para demostrar que, al menos en teorías vagamente similares a la QCD, en verdad se puede tener una sopa caliente de gluones con las propiedades novedosas que se encuentran experimentalmente para el QGP.

Los estudios del plasma de quarks y gluones siguen adelante en ALICE y en los otros experimentos en el LHC (ATLAS, LHCb y CMS, este último también con participación mexicana), y en cualquier momento podrían arrojar nuevas sorpresas.

Por otra parte, hay físicos teóricos tratando de construir modelos cada vez más realistas del QGP y de otras sustancias con fuerzas intensas usando las herramientas de la correspondencia de Maldacena, y será interesante ver hasta qué punto sus resultados pueden seguirse aproximando a los datos experimentales.

Si bien esta correspondencia ya ha sido un avance revolucionario a nivel de física teórica, el éxito total para la teoría de cuerdas solo se logrará en caso de que sus predicciones puedan comprobarse con experimentos. Habrá que esperar entonces para ver si los choques de iones pesados o de protones pueden seguir haciendo vibrar la teoría de cuerdas.

Fuente: CONACYT.