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¿ SE PUEDE VERIFICAR LA TEORÍA DE CUERDAS ?

Actualizado: 25 de dic de 2019

La llamada teoría de (super)cuerdas (TSC) es un marco teórico Físico-Matemático que constituye nuestro mejor candidato para alcanzar el "santo grial" de la Física fundamental: unificar las 4 fuerzas de la naturaleza y conseguir una teoría cuántica de la gravedad. La pregunta que todo el mundo se hace al oír hablar sobre la teoría de cuerdas es: ¿Se puede verificar o refutar experimentalmente?

La respuesta a esta pregunta es afirmativa aunque con matices: su verificación experimental será muy difícil y dependerá de si los indicios que la confirman o refutan son lo suficientemente claros para asociarlos directamente a efectos "cuerdísticos" diferenciándolos de otros posibles fenómenos.

En este artículo analizaremos las posibles formas de verificar la teoría de cuerdas clasificándolas en 3 grupos: observaciones cosmológicas, observaciones de nuevas partículas y observaciones de nuevos fenómenos físicos. También veremos algunas posibles formas de refutar dicha teoría.


Las dificultades en la verificación-refutación de la teoría de cuerdas

El gran problema a la hora de encontrar indicios experimentales que avalen la TSC es que su escala natural, la escala en la que "residen" sus elementos fundamentales (cuerdas y branas) es del orden de 10-35m. Esta escala de energía es 1015 mayor que la que podemos sondear en el LHC.

Otro gran problema es que la configuración del vacío de la teoría no es única, de hecho existen del orden de 10500 posibles vacíos. Esto hace muy difícil encontrar configuraciones únicas que den lugar a un Universo como el nuestro y que predigan nuevos fenómenos comprobables a baja energía. Este problema es como buscar en nuestro Universo los "residuos" de baja energía de una teoría que funciona a la energía más alta físicamente posible (la energía de planck) y que está construida en 10 dimensiones del espacio-tiempo. A pesar de las dificultades hay varias "huellas" o

predicciones genéricas que podrían indicarnos que la teoría es correcta o incluso confirmarla-refutarla. A continuación analizaremos cuales son estas "huellas" a baja energía que predice la TSC.


Observaciones cosmológicas

- Campos escalares de "moduli"

Prácticamente todos los distintos modelos semi-realistas basados en la TSC predicen la existencia de unos campos escalares denominados "moduli". Generalmente estos campos proceden de las variaciones de la métrica de las dimensiones extras compactificadas. Estos campos, si existen, pueden tener consecuencias cosmológicas importantes. Los campos de moduli, al oscilar entorno a su estado de vacío

producen materia no relativista con una densidad de energía de D=1/a3 (donde a es el factor de escala de expansión del Universo) mientras que la densidad de energía de la radiación es D=1/a4. Inmediatamente después del Big-Bang el Universo estaba dominado por la radiación producida por esta "explosión". Posteriormente, cuando el Universo se enfrió lo suficiente se produjo la nucleosíntesis primordial donde se produjeron ciertas cantidades de H, He y Li por fusión nuclear. A partir de ese momento el Universo pasó a estar dominado por la materia. El punto clave es que si los campos de moduli existen parte de la energía generada en el Big-Bang sería absorbida por estos campos produciendo más materia de forma que el Universo hubiese tenido una fase transitoria de dominación de materia antes de la nuclosíntesis primordial.

Este hecho tendría efectos que podrían modificar las predicciones del modelo cosmológico estándar aceptado actualmente. Por ejemplo las predicciones para la búsqueda indirecta de partículas WIMP de materia oscura podrían verse notablemente afectadas ya que estas partículas podrían ser generadas directamente por desintegración vía moduli. Estos efectos podrían ser observados en futuras observaciones cosmológicas y en los experimentos de búsqueda de materia oscura.


- Campos de axiones pseudo-escalares

De forma similar a los campos de moduli, las compactificaciones de las dimensiones extra producen un gran número de axiones de muy diversas características. Todo este abanico de partículas tipo axión se denomina "el axiverso". Podemos decir que la TSC predice la existencia de todo un axiverso. Estos axiones de diferentes características podrían dejar sus "huellas" en tres campos diferentes de la cosmología:


1-Inflación cósmica: Los axiones forman el ingrediente fundamental que permite a la TSC desarrollar una etapa inflacionaria que de lugar a un Universo como el nuestro. Futuras observaciones podrían favorecer o descartar un modelo de inflación basado en axiones (y quizás en el tipo de axiones favorecido por la TSC).


2- Materia oscura: Como los campos moduli, los campos de axiones oscilan comportándose como una masa no relativista lo que les convierte en candidatos idóneos para formar la materia oscura. Los axiones predichos por la TSC pueden tener rasgos distintivos diferentes de los predichos por otras teorías como la QCD y

pueden constituir candidatos más exóticos para explicar la materia oscura (la llamada "fuzzy dark matter") como las llamadas "glue-balls" (estados confinados de gluones "oscuros" que pueden incluso interactuar entre si) que podrían solucionar problemas cosmológicos como el problema "núcleo/cúspide" observado en ciertas galaxias.


3- Radiación oscura: Los campos de axiones generan radiación "oscura" (llamada así porque como la materia oscura no es visible). Esta radiación podría haber afectado a la abundancia de elementos ligeros creados durante la nucleogénesis del Big-Bang. Además esta radiación oscura podría constreñir la materia oscura basada en partículas

supersimétricas.

Nuevas partículas


- Axiones

Como vimos en el apartado anterior los modelos de la TSC predicen la existencia de gran variedad de axiones. La TSC postula la existencia de 10 dimensiones de espacio-tiempo. Las 6 dimensiones que no vemos están compactificadas en un tamaño minúsculo que explica porque aún no las hemos detectado. Existen muchas formas diferentes de compactificar las 6 dimensiones pero en todas se produce una emisión de unas partículas denominadas axiones. El axión es una partícula que puede "mezclarse" con el fotón y que se caracteriza por una masa y una constante de acoplamiento f. El llamado problema de la violación CP fuerte de la QCD también predice la existencia de estas partículas pero predicen un límite superior para f: f<1012. Por tanto la detección

de axiones con f mayor que este límite sería una "huella" distintiva de la TSC. Además, como vimos en el apartado anterior este límite tiene consecuencias cosmológicas que podrían ser detectadas a corto plazo. Otra diferencia es que la teoría de cuerdas, al contrario que la QCD predice una gran variedad de axiones con distintas características.


- Partículas Z'

La teoría de cuerdas predice la existencia de nuevas partículas denominadas Z' por su parecido con el bosón Z que es uno de los bosones que transmite la fuerza débil. Sin embargo, existen otros modelos teóricos que también predicen la aparición de nuevas partículas Z' como las teorías gran unificación, los modelos de varios Higgs o ciertas extensiones del modelo estándar. Es posible que futuros experimentos de precisión en aceleradores sean capaces de distinguir la "huella" de la TSC analizando las características del Z' y los fenómenos físicos que producen este bosón.


- Nuevas partículas de Higgs

El hallazgo de nuevas partículas de Higgs o Higgsinos (su equivalente supersimétrico) sería un claro indicador de la existencia de nueva Física y daría lugar a la existencia de todo un abanico de nuevas partículas y fenómenos. La TSC predice la existencia de toda una serie de nuevos Higgs-Higgsinos con distintas características.


- Partículas exóticas

Existe la posibilidad de la existencia de partículas "exóticas" que aparecen para cancelar anomalías debidas a grupos de simetría más grandes que los del SM. La TSC permite la existencia de estas partículas con diferentes características.


- Leptoquarks, diquarks, dileptones y violaciones de Rp

La TSC permite un acoplamiento vía leptoquark, diquark o dilepton entre hipotéticas partículas exóticas y el SM. Estos fenómenos se manifestarían a través de violaciones de las reglas del SM (violaciones de la física de sabor, anomalías en desintegraciones B, etc). Por esto, la presencia de estas partículas podría ser una "huella" de la TSC.

Observaciones de nuevos fenómenos

- Nuevas simetrías gauge y sectores ocultos

El llamado modelo estándar (SM) es nuestra actual teoría que explica prácticamente todo lo que sabemos sobre la Física de partículas. Esta teoría se basa en la simetría gauge SU(3)xSU(2)xU(1). Existen varias teorías que postulan la existencia de grupos de simetría mayores como SU(5), SO(10), etc que darían lugar a nuevas cargas conservadas y por tanto nuevas partículas. Estas nuevas partículas podrían formar lo que se denomina "sectores ocultos" debido a que solo veríamos sus efectos por su forma de acoplarse al SM. La TSC posee grupos de simetría característicos como E8xE8 o SO(32).

Analizando los efectos de los sectores ocultos sobre el SM quizás sería posible discernir a que grupo se simetría pertenecen y discernir a que modelo teórico se ajustan mejor. Si el sector oculto esta débilmente acoplado al SM (a través de la gravedad, moduli o axiones) sus efectos serán difíciles de ver pero si está fuertemente acoplado sus efectos podrían ser más claros y podrían producir "partículas oscuras" como las "glue-balls" o los "dark hadrons" con implicaciones en la búsqueda de materia oscura.


- No universalidad familiar

En el SM existen 3 familias de leptones. La TSC predice todo un abanico de nuevas familias con orígenes diferentes. Este hecho produciría violaciones en la física de sabor como cambios de sabor a través de corrientes neutras. Estos efectos podrían ser detectados en el LHC o en otros experimentos.


- Nuevos mecanismos no estándar de generación de la masa de los neutrinos

El mecanismo por el cual los neutrinos adquieren masa aún no es conocido. Existen varios modelos que compiten para dar una explicación y cuya validez dependerá de ciertas características de los neutrinos pendientes de confirmar. La TSC predice nuevos mecanismos no estándar fundamentalmente vía "seesaw" debido a la existencia de nuevos operadores procedentes de las dimensiones extra.


- Existencia de grandes dimensiones extra

Si una o varias de las dimensiones extra de la TSC tuvieran un tamaño grande, la escala natural en la que se manifiestan las cuerdas sería mucho más grande, incluso podría estar en la escala de los TeV accesible en el LHC. Si esto ocurriese, las presentes o futuras búsquedas en el LHC podrían encontrar fenómenos de gravedad cuántica con la "huella" de la TSC.


- Otros fenómenos

Otros efectos que podrían ser indicadores de la existencia de fenómenos "cuerdísticos" serían: violaciones de la simetría de Lorentz y de la simetría CPT, variación de las constantes fundamentales, ausencia de representaciones sin masa de spin continuo del grupo de Poincaré, el descubrimiento de partículas supersimétricas y el descubrimiento de cuerdas cósmicas primordiales.


Refutaciones de la teoría de cuerdas

Teorías de Gran Unificación (GUT)

La gran mayoría de los modelos basados en la TSC son incompatibles con las simetrías de los modelos GUT debido a la gran dificultad en generar estas simetrías y la inexistencia de mecanismos capaces de romperlas. Por esto si los modelos GUT se llegaran a verificar experimentalmente la gran mayoría de los modelos de la TSC se mostrarían incompatibles con las observaciones.


Existencia de grandes representaciones

La TSC no permite la existencia de grandes representaciones de grupos de simetría a baja energía. Por esto si se descubrieran representaciones grandes o inusuales en los experimentos sería un indicador muy fuerte en contra de la validez de la TSC.


Conclusiones

La creencia popular de que la teoría de cuerdas no hace predicciones comprobables experimentalmente es completamente falsa, aunque es cierto que, por la propia naturaleza de la teoría son difíciles de comprobar. Esto por supuesto, no significa nada en su contra, la naturaleza sencillamente es como es independientemente de nuestros

deseos o preferencias. Además hay que tener en cuenta algo muy importante: la teoría de cuerdas ya está produciendo resultados prácticos importantes en varias ramas de la Física y de las Matemáticas (física del plasma quark-gluón, física del estado sólido, dualidades, técnicas de cálculo de amplitudes, etc) hasta el punto de que en el

software del LHC ya se están usando técnicas basadas en cálculos derivados de la TSC. Además, el conocimiento adquirido sobre ciertas características que debe cumplir toda teoría cuántica de la gravedad tiene un valor incalculable.

Por esto, incluso si la TSC no fuera la esperada "teoría del todo" el conocimiento generado por ella seguiría siendo enormemente valioso. Por supuesto, todos esperamos que la teoría de cuerdas nos revele lo que sin duda es el conocimiento más profundo y trascendente de las leyes de la Física: la naturaleza última del espacio-tiempo.


Fuentes: Remnants from the String Landscape

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