Grandes teorías

Para los cosmólogos, la unificación electrodébil significaba que el reloj podía retroceder hasta un tiempo justo una billonésima de segundo después del inicio de la expansión, cuando la bola de fuego tenía una temperatura de 10¹⁶ K y era todavía tan densa que un dedal de ella pesaría aproximadamente 100 millones de toneladas. El siguiente desafío resultaba claro. Ahora que los teóricos comprendían las interacciones de las partículas y fuerzas de ese momento, se centraron en un período aún más anterior. El objeto de su búsqueda era hallar una fuerza que uniera la interacción fuerte y la electrodébil, lo que llevó a los físicos a hipotetizar que, a energías más elevadas aún, del orden de 10²⁶ K, ambas interacciones deberían unirse en una nueva «fuerza unificada». Hay diferentes variantes para construir teorías de esta fuerza y sus propiedades. Estas teorías han alcanzado un alto grado de desarrollo y a su conjunto se le conoce con el nombre de «Grandes Teorías Unificadas» GTU o «Teorías de la Gran Unificación», conocida más simplemente con la sigla GUT's (Grand Unified Theories), que uniría todas las fuerzas excepto la de la gravedad.

A temperaturas aún mayores, sobre los 10³² K, se especula que la fuerza gravitacional y la gran fuerza unificada se juntan en una única fuerza. Hay varias hipótesis propuestas que se conocen como Supergravedad, SuperUnificación, teoría de las supercuerdas, entre otras más. Este proceso de superunificación se produciría alrededor de la era de Planck. Los físicos teóricos, en la década de 1970, llegaron a comprender que principios similares a la electrodinámica cuántica gobernaban la interacción de quarks y nucleones, mediada por la fuerza fuerte. El nombre de la teoría de la fuerza fuerte, la cromodinámica cuántica o QCD (quantum chromodynamics), era un reflejo consciente de la QED. Sin embargo, era mucho más compleja. Mientras que el electromagnetismo era transportado por un único fotón, la cromodinámica cuántica necesitaba no menos de ocho gluones, como se llama a los bosones que transportan la fuerza fuerte, y esos ocho bosones prometían llevar las matemáticas de la GUT's a una categoría completamente nueva de dificultad.

La característica común de la fuerza fuerte de color y de las interacciones electrodébiles es que en ambos casos su vehículo son los gluones: los cuantos de los campos de Yang-Mills, campos que son consecuencia de la simetría. Para unificar esas interacciones hay, por tanto, que hallar una simetría única (y no múltiple) que, por ruptura espontánea de simetría, produzca simetrías más pequeñas correspondientes a las interacciones fuerte y electro-débil.

Una forma de concebir tal proceso de unificación y ruptura de simetría es representar la simetría de la fuerza fuerte coloreada con un círculo, que es simétrico respecto a su centro. La simetría del modelo electro-débil se representa también mediante otro círculo independiente. Supongamos luego que los dos radios de estos dos círculos diferenciados son inversamente proporcionales a la fuerza de las correspondientes interacciones. Los dos círculos no tienen nada que ver entre sí directamente; igual que en el modelo estándar, la simetría de la interacción fuerte y la de la interacción electrodébil son completamente independientes entre sí.

Se puede captar ya la idea de unificación de campos imaginando que esos dos círculos aparentemente independientes son, en realidad, dos círculos (ecuadores) distintos de una misma esfera. Un círculo sólo es simétrico respecto a un punto, mientras que una esfera, simétrica respecto a cualquier eje, tiene más simetría. Los círculos anteriores pasan a considerarse sólo subsimetrías de la simetría esférica que las incorpora y unifica a ambas. Como ambos tienen el mismo radio, las interacciones fuerte y electromagnética tendrán en esta descripción la misma fuerza: estarán unificadas.

También puede entenderse en el marco de esta imagen la ruptura espontánea de simetría. La simetría esférica perfecta, aunque una solución de la ecuación de campo, no es estable: la esfera se achata en una figura elipsoidal, que es la solución estable. La esfera achatada puede caracterizarse por dos círculos de distintos radios, correspondientes a las diversas fuerzas de las diferentes interacciones: una manifestación de la simetría rota. Pero la estructura inicial subyacente es la esfera perfecta.

Las subsimetrías descritas por el modelo estándar son más complicadas que las simples simetrías de círculo, y la simetría unificadora de las GUT's es más complicada que la de una esfera, pero la idea básica es similar. Enfocadas así, las interacciones fuerte, débil y electromagnética deben su parentesco a una simetría, la de las grandes teorías unificadas, general, que se rompe espontáneamente. Las simetrías del modelo estándar pueden incluirse de modos diversos en una sola simetría de GUT mayor; y el conjeturar qué vía y qué simetría mayor elige la naturaleza, si es que elige alguna, es el juego que practican los creadores de modelos modernos.

Al principio, la unificación de los gluones fuertes coloreados (que participan en las interacciones de los quarks) con los gluones electrodébiles (que participan en las interacciones de los quarks y en las de los leptones) parecía un rompecabezas. Al unificar todos estos gluones bajo la égida de una gran simetría, parece que hayamos de unificar también los quarks y los leptones. Para que la idea de las GUT's sea factible, deben considerarse también todos los quarks y los leptones componentes de grandes campos «leptoquárquicos». Desde el punto de vista de la gran simetría única no rota, quarks y leptones serían indiferenciables, se transformarían unos en otros.

Los primeros que trabajaron en una unificación de quarks y leptones de este tipo fueron los físicos Jogesh C. Pati (de la Universidad de Maryland) y Abdus Salam. En 1973, estos dos físicos propusieron que se considerase a los leptones como un «cuarto color» a añadir a los tres colores quárquicos.

Cuando luego se rompía espontáneamente la simetría de cuatro colores entre los quarks y los leptones, en la simetría exacta de tres colores de la interacción fuerte de unión quárquica, podían diferenciarse los quarks y los leptones. El modelo tenía otro aspecto notable: el protón podía desintegrarse en partículas más ligeras. El motivo de esta nueva característica de la desintegración protónica podía atribuirse directamente al hecho de que, en el modelo, los quarks y los leptones estaban unificados como componentes de un campo leptoquárquico único. En consecuencia, los quarks (como los quarks dentro de un protón) pueden convertirse en leptones. Otra forma de expresar esta característica es decir que en estos nuevos modelos se violaba la ley de conservación de la carga bariónica que en el modelo estándar exigía la estabilidad protónica. Era el primer indicio de que la mayoría de las GUT's exigían la desintegración protónica.

Por desgracia, Pati y Salam no hicieron una predicción definida del índice de desintegración protónica (era un parámetro arbitrario del modelo), ni aportaron una auténtica unificación de las interacciones fuerte y electrodébil en el sentido de que las tres interacciones fuesen manifestaciones de la simetría del campo de medida rota espontáneamente y única. Pero un año después, en 1974, Howard Georgi y Sheldom Glashow hicieron en la Universidad de Harvard el primer modelo que aportaba una verdadera unificación (el «modelo SU(5) mínimo»), que, por su economía, se convirtió en prototipo de las futuras teorías de este género. Como comentó el propio Georgi: es «muy bonito».

Georgi y Glashow eran compañeros de postgrado y ambos tenían por costumbre realizar agitadas sesiones de trabajo en una de las oficinas en el Lyman Hall de Harvard. Cada mañana, Glashow asaltaba a Georgi con nuevas ideas sobre la fuerza fuerte. Esperaba que su colega intentara hacer agujeros en cada hipótesis: si Georgi no podía encontrar de inmediato ningún fallo, entonces ese tema se convertía en el foco de su atención para aquel día.

Una tarde de otoño de 1973, los dos hombres discutieron durante horas sobre enfoques a la GUT sin llegar a ninguna conclusión. Después de la cena, Georgi empezó a seguir los diversos caminos que habían ido emergiendo durante el debate de la tarde. Para su sorpresa, pronto produjo un modelo matemático que parecía encajar en los hechos, uniendo las fuerzas fuerte y electrodébil. «Me sentí muy excitado –recordaría más tarde–. Me senté, me serví un vaso de escocés, y pensé en ello durante un rato.» Luego Georgi enfocó el tema desde otro lado, y sus esfuerzos también resultaron fructíferos. «Así que todavía me excité más y me serví otro escocés.»

Como la teoría de la unificación electrodébil, el modelo de Georgi implicaba cambios en un tipo de partícula que eran compensados exactamente por cambios en otras partículas. Sin embargo, los niveles de energía requeridos eran 10 mil millones de veces más altos, igual a los que existieron a los 10^-16 segundos después del inicio de la expansión. En ese entorno, los gluones, normalmente los portadores de la fuerza fuerte, serían el equivalente de los fotones y los bosones W y Z. Quarks y electrones serían también intercambiables, en transacciones mediadas por una familia enteramente nueva de doce partículas extremadamente masivas, agrupadas más tarde bajo el nombre de bosones X.

La celebración privada de Georgi se vio empañada cuando descubrió un sorprendente aspecto de su hipótesis. Al elaborar las matemáticas, se dio cuenta de que las ecuaciones permitían –de hecho, dictaban– la descomposición final de todos los protones por la transformación de uno de sus quarks en un electrón o un positrón. Si esta teoría sobre la época más primitiva del universo era correcta, también preveía un posible final. Cuando se evaporen los protones, el universo se convertirá en simple espacio frío y oscuro, desprovisto incluso de los átomos que ahora forman los planetas y las estrellas.

Georgi mostró su solución a Glashow a la mañana siguiente. Glashow no dejó que el destino de los protones empañara su placer ante lo que parecía ser un auténtico paso de gigante. «No era tan grave como eso –recordaría más tarde–. Sabíamos que el Sol acabaría apagándose en unos cuantos miles de millones de años. El que la materia se descomponga mucho, mucho tiempo después, no es una idea que deba trastornarle a uno.»

Georgi y Glashow publicaron su Teoría de la Gran Unificación en febrero de 1974. Ganó partidarios.... y también una cohorte de imitadores, puesto que otros investigadores siguieron la misma línea de ataque para desarrollar teorías similares. Todos predecían los bosones X de la era GUT, como pasó a ser llamado el momento alrededor de los 10^-35 segundos de la existencia del universo. Pero, ¿cómo podían llegar a verificarse estas visiones matemáticas? Ningún acelerador de partículas podía alcanzar los niveles de energía requeridos para producir los bosones X. La única prueba experimental posible para las GUT's sería atrapar un protón en el acto de descomponerse. Pero los protones tienen unas vidas inimaginablemente altas. Las mejores estimaciones sitúan su vida media en unos 10³¹ años, más de un trillón de veces la edad actual del universo.

Evidentemente, los científicos no podían observar un protón el tiempo suficiente como para verlo descomponerse. Pero, debido a que la longevidad de las partículas era una cifra media, con algunos protones gozando de una vida más larga que otros, podía llegar a observarse una descomposición si eran examinados los suficientes protones, Un primer intento de hacer esto, que empezó en 1981, usaba un enorme tanque lleno con más de 7.000 toneladas de agua purificada, situado en una mina de sal de 800 metros de profundidad cerca de Cleveland, Ohio. El agua contenía 10³⁴ protones, más o menos, y la localización bajo el suelo la protegía de radiaciones espurias que pudieran proporcionar una indicación falsa de la descomposición de un protón. En el acto de la desintegración, un protón debería producir un diminuto destello de luz, detectable por una serie de fototubos sensibles alineados a lo largo de las paredes del tanque. Un científico captó la ambivalencia de sus compañeros en el brindis en la inauguración de las instalaciones: «Por el protón…, ¡que viva eternamente! Pero, si ha de morir, ¡que muera en nuestros brazos!». El destinatario de este brindis aún no se ha dado por aludido. No se ha visto morir ningún protón en Ohio, ni en ninguno de los demás experimentos similares realizados en Japón, la India e Italia. Pero la esperanza es lo último que se pierde y los ojos avizores de los científicos siguen vigilando.

Para los cosmólogos, la muerte predicha de las partículas de materia era menos importante que su corolario en los modelos GUT: la creación de materia a partir de la radiación que permeaba el universo en la era GUT. En ese entorno de alta energía, enormes bosones X se descomponían supuestamente en lluvias de partículas que incluían quarks y electrones. A medida que el universo en expansión se enfriaba, estas partículas terminaban combinándose para formar átomos. Las teorías incluso predecían la proporción resultante de materia y energía en el universo, una relación que igualaba de cerca el equilibrio entre la densidad observada de la materia y la intensidad de la radiación cósmica de fondo. Las GUT's se desenvolvían bien en el terreno de pruebas del cosmos.

El modelo Georgi-Glashow era el más simple de todas las GUT's. Los gluones coloreados y los 4 gluones electrodébiles se incorporaban como 12 componentes de un campo único de Yang-Mills de 24 componentes; se había logrado, pues, una gran unificación. Esta gran simetría única quedaría luego rota espontáneamente por los campos de ruptura de la simetría de Higgs. El resultado era que 8 de los 24 gluones originales podían identificarse con los gluones coloreados, 4 con los bosones electrodébiles W⁺, W^-, y Z. Otros 12 gluones, llamados gluones X, adquirirían una masa enorme, tan grande que probablemente ningún acelerador podría crearlos. Sin embargo, los nuevos gluones X, mediante interacción con los leptones y los quarks ordinarios, podían convertir quarks en leptones y viceversa. Por tanto, los gluones X de gran masa desestabilizaban el protón. Una vez más, la gran unificación entrañaba desintegración protónica. Georgi y Glashow destacaron otra deducción importante de su GUT. El modelo estándar, que no unifica las tres interacciones, tiene 19 parámetros arbitrarios. Uno de ellos, el «ángulo de interacción débil q_w », en el modelo SU(5) ya no era arbitrario, sino que se calculaba que era igual a 37,7 grados, como consecuencia de la gran simetría unificadora exacta. Esta predicción significaba un paso hacia la realización del sueño de Einstein de que «no hay ninguna constante arbitraria».

Por desgracia, su predicción no coincidía con el valor que habían asignado a este ángulo los físicos experimentales. Muchos creían que el modelo SU(5), aunque plasmaba hermosamente la idea de las GUT's, no era una descripción correcta de la naturaleza. Pero la idea de la gran unificación empezaba a atrincherarse con firmeza en el pensamiento de los teóricos, que trabajaban con entusiasmo explorando las GUT's.