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EXPLORANDO NUEVAS ESCALAS DE LA FÍSICA FUNDAMENTAL

El Universo que habitamos está lleno de objetos y fenómenos fascinantes y "exóticos". Algunos como los agujeros negros o el entrelazamiento cuántico ya han sido descubiertos y estudiados, otros como los monopolos magnéticos, las cuerdas cósmicas, los instantones o la desintegración del protón son predicciones bastante fiables de nuestras teorías físicas y esperan a ser detectados experimentalmente. Finalmente, otros como los agujeros de gusano, las dimensiones ocultas o las "fuzzyballs" son objetos o fenómenos más especulativos pero no por ello improbables. En este artículo nos centraremos en dos fenómenos cuya existencia puede considerarse como altamente probable: las cuerdas cósmicas y la desintegración del protón. Además veremos como, con los nuevos experimentos que empezarán en breve, podríamos combinar las señales de los más recónditos lugares del Universo con las señales procedentes del subsuelo terrestre para estudiar nuevas escalas de energía y nuevos fenómenos físicos fundamentales.


La Unificación de las fuerzas fundamentales


En nuestro Universo de baja energía observamos 4 fuerzas fundamentales: el electromagnetismo, la gravedad, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Si aumentamos la energía hasta los 246 GeV observamos algo tremendamente sorprendente: ¡ La fuerza electromagnética y la fuerza débil se unifican ! Ambas fuerzas "fundamentales" se unifican en una sola denominada fuerza electrodébil. Parece natural preguntarse: Si seguimos aumentando la energía, ¿Se unificarán el resto de fuerzas fundamentales?


El modelo estándar (SM) contiene todo nuestro conocimiento sobre física de partículas. El SM está caracterizado por tres grupos de simetría gauge: SU(3) que representa la fuerza fuerte, SU(2) representa la fuerza débil y U(1) que representa el electromagnetismo. A energías superiores a 246GeV la fuerza electrodébil está representada por el grupo SU(2)XU(1). Al disminuir la energía, la simetría del grupo electrodébil sufre una ruptura espontánea a través del mecanismo de Higgs que

produce que la simetría SU(2)XU(1) se rompa en SU(2) y U(1) produciendo las dos fuerzas diferentes que vemos a baja energía.

La pregunta que surge inmediamente es: ¿existen nuevos grupos gauge mayores que los del SM que representen la unificación de las 3 fuerzas fundamentales a alta energía?


La estabilidad del protón


Se estima que nuestro cuerpo posee unos 10exp28 protones, si está partícula fuera inestable y se desintegrase con encima de cierto ratio entonces no podríamos existir: la radiación nos mataría. Esto sitúa la cota inferior de una hipotética vida media del protón en más de un billón de años (unas 100 veces la vida del Universo) , es decir, si el protón tuviese una vida media inferior a un billón de años nosotros no existiríamos.

El protón se encuentra en el núcleo (literalmente) de toda la materia del Universo: toda la materia conocida está formada por protones, neutrones y electrones. En física de partículas existe una ley denominada conservación del número bariónico que nos indica que la cantidad de bariones (quarks) debe conservarse. El protón está compuesto de quarks y por tanto es la partícula compuesta ligera más estable: la cadena permitida de desintegraciones acaba en el protón. El protón no puede desintegrarse en partículas más ligeras ya que su desintegración implicaría la violación de la conservación del número bariónico. Pero, ¿que sucedería si existiesen nuevas simetrías y por tanto nuevas partículas más allá de las conocidas? Las teorías GUT (grand unification theories) predicen la existencia de grupos superiores a los del Modelo estándar de la física de partículas. Estos grupos son, principalmente, el grupo SU(5) y el grupo SO(10). Estos grupos existirían solamente a altísimas energias, una vez la energía del Universo baja de una energía crítica (la energía GUT) estos grupos se rompen generando los grupos que "vemos" a baja energía, esto es, los grupos del SM (GSM):

Figura 1: Cadenas principales de ruptura espontánea de las simetrías SO(10) y SU(5)


La clave es que la rotura de estos nuevos grupos genera nuevos bosones (llamados de forma muy original bosones X e Y) y nuevas representaciones que permiten que el número de bariones no se conserve. De esta forma el protón ya no sería el barión estable más ligero y por tanto el protón debe desintegrarse. El proceso de desintegración más probable sería: p--pi0+e+. Hay que darse cuenta que esta desintegración es un proceso que implica altísimas energías y por tanto este proceso sería una ventana a nuevos procesos físicos más allá del SM.


Esta desintegración está siendo buscada por experimentos de neutrinos situados varios kilómetros bajo tierra, el experimento superkamiokande ha situado la cota inferior de vida media del protón en ¡ 10exp34 años ! En los próximos años se van a poner en funcionamiento 3 experimentos denominados DUNE, HYPERKAMIOKANDE y JUNO que permitirán explorar la desintegración del protón a energías más de 10 veces superiores.


Cuerdas cósmicas y ondas gravitatorias


Como hemos visto las teorias GUT se basan en grupos mayores que los del SM que al sufrir cambios de fase según el Universo se enfría producen los grupos que vemos a baja energía. Al producirse un cambio de fase, no todos los lugares del espacio-tiempo cambian de fase a la vez por lo que surgen ciertas inhomogeneidades que pueden ser puntuales, bidimensionales o tridimensionales. Las primeras dan lugar a monopolos magnéticos, las segundas a cuerdas cósmicas y las terceras a paredes de dominio.

Estas entidades podrían ser muy difíciles de detectar debido a que la inflación cósmica los ha "diluido" durante su tremenda expansión hasta una densidad casi despreciable. Sin embargo, en el caso de las cuerdas cósmicas, si estas se generan en los últimos estadios de la inflación o después de ella, podrían ser detectables. Estas cuerdas, al vibrar, generan ondas gravitatorias cuyas características entrarían dentro de la capacidad de detección de los próximos detectores de ondas gravitatorias: SKA, LISA, TAIJI, TIANQIN, BBO, DECIGO, ET, CE, MAGIS, AEDGE o AION. Cual exploradores que se internan en un planeta desconocido los físicos se adentrarán en nuevos y desconocidos mundos:

Figura 2: Las partes superiores rayadas representan los actuales límites de exclusión . Los nuevos detectores en curso nos permitirán ampliar significativamente nuestra sensibilidad llegando hasta nuevos y desconocidos tipos de ondas gravitatorias.


Una ventana hacia nueva física


La sola detección de uno solo de estos fenómenos sería un enorme avance para la física fundamental. La desintegración del protón sería una prueba espectacular de que todas las fuerzas conocidas (exceptuando de momento la gravedad) proceden de una única simetría, de una simetría fundamental. La detección de cuerdas cósmicas nos abriría la posibilidad de estudiar nuevos fenómenos en los que la gravedad y la mecánica cuántica se fusionan, incluso cierto tipo de cuerdas cuánticas podrían encajar con las predicciones genéricas de la teoría de supercuerdas. Aunque parezca increíble podemos combinar los dos fenómenos para obtener información extra dependiendo de si se detecta uno solo de estos fenómenos o ambos. Las posibilidades más destacables son:


1º) Observación de la desintegración del protón en el canal p--pi0+e+ y no observación de ondas gravitatorias procedentes de cuerdas cósmicas


No SUSY favorecido

Rotura de SO(10) tipo d excluido (ver figura 1)

Rotura de SO(10) tipo a y c favorecida (ver figura 1)


2º) Observación de la desintegración del protón en el canal p--pi0+e+ y observación de ondas gravitatorias procedentes de cuerdas cósmicas


No SUSY favorecido

Rotura de SO(10) tipo b y d excluidas (ver figura 1)

Rotura de SO(10) tipo a y c favorecida (ver figura 1)


3º) Observación de la desintegración del protón en el canal p--K+v


SUSY favorecido


4º) No Observación de la desintegración del protón ni de ondas gravitacionales


SUSY desfavorecido

GUTs desfavorecido

Nuevos límites de exclusión


Esto puede resumirse en la siguiente figura:

Figura 3: Consecuencias generales dependiendo de que fenómeno se detecte en los experimentos en curso


Conclusiones


Los próximos años prometen ser muy interesantes para la física fundamental. Numerosos experimentos relacionados con la física de neutrinos, desintegración del protón, ondas gravitatorias, materia oscura y estudio del CMB podrían abrir una nueva ventana a nuevos fenómenos físicos y nuevas simetrías fundamentales.


Fuentes: Gravitational waves and proton decay: complementary windows into GUTs