Mas allá de las GUT's

Para introducirnos en el tema, partamos recordando que en la década de 1960 fue cuando se propugnó la hipótesis de la unificación de fuerzas en apariencias tan diferentes como la fuerza débil y la fuerza electromagnética. La «debilidad» de la fuerza débil provendría simplemente de la masa de sus partículas de intercambio. Según se calculó, esta masa debería ser aproximadamente de cien veces la del protón. En 1972 se ponen en marcha experimentos en el CERN. Se bombardean electrones sobre positrones. Aumentando progresivamente la energía, se ve aparecer, hacia 91 GeV, las partículas Z, responsables de la interacción de los neutrinos. Más tarde se produce, de modo análogo, las partículas W, que acompañan la transformación de los quarks u en quarks d (y viceversa), pero también la de los electrones en neutrinos (y viceversa). Estas detecciones confirman de manera magnífica la hipótesis de los teóricos. Muestran la existencia de la fuerza electrodébil, que combina la fuerza débil con la fuerza electromagnética.

A diferencia de la mayor parte de las partículas de la física, el neutrón tiene una vida muy larga (¡veinte minutos!) . Esta propiedad le viene de la debilidad de la interacción débil, y, por lo tanto, de la gran masa de la partícula W. Si esta masa fuera todavía diez veces más grande, el neutrón duraría más de tres meses. Este fenómeno también es responsable de la longevidad del Sol (diez mil millones de años). Si la masa de W fuera diez veces más pequeña, a nuestra estrella ni siquiera la habríamos conocido, ya que habría agotado sus reservas nucleares hace tiempo. ¡Habría muerto mucho antes de la aparición de los mamíferos! Se trata de una fascinante relación, como muchas otras, entre las propiedades de las partículas y nuestra realidad cotidiana…

Pero la descripción del éxito de la hipótesis sobre la unificación de las fuerzas débil y electromagnética en una fuerza electrodébil no la podemos repetir para los distintos hipotéticos modelos de las GUT's. Más aún, con el tiempo se ha despertado un cierto grado de resistencia –de parte de gran número de físicos– a admitir el supuesto de que la naturaleza elija una GUT mínima. Se resisten sobre todo a admitir un modelo que describa correctamente la naturaleza a escalas de distancia de 10^-16 cm (tamaño escalar de las partículas W y Z) y salte luego a distancias de 10^-30 cm (la escala GUT). Es una extrapolación de 10¹³, lo cual equivale más o menos al grosor de un dedo comparado con la distancia de la Tierra al Sol. Si es correcta la idea de la GUT mínima, existe en la naturaleza un microdesierto que abarca una región inmensa. A muchos físicos esto les parecía una falta de imaginación de la naturaleza, por no decir categóricamente que las distintas teorías GUT's no son viables. O, por lo menos, que no podrán ser nunca comprobadas.

Los científicos observaban que desde la escala macroscópica de los supercúmulos de galaxias a la microscópica de las partículas W y Z, cambian en la naturaleza las estructuras físicas, a medida que cambia la escala de distancia. En el libro de Phill Morrison titulado " Potencias de 10", vemos ejemplos de la riqueza y variedad de los productos de la naturaleza cada vez que la escala de distancias cambia en múltiplos de diez. ¿Hay alguna razón (aparte de la falta de imaginación o la falta de datos) para que esta riqueza desaparezca súbitamente al adentrarnos más allá de las distancias correspondientes al tamaño de las partículas W y Z, para volver a hacerse interesante a la escala de la gran teoría del campo unificado, 10¹³ veces más pequeña? Nadie sabe cómo contestar a esta pregunta. La única forma de lograrlo es seguir haciendo experimentos con aceleradores a energía aún mayor, alrededor de 10²⁴ eV. O sea, por ahora no hay ninguna posibilidad, ni siquiera con el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) .

En consecuencia ¿son las GUT's una pura y simple especulación? No es así. Existen otra serie de medidas que nos conduce naturalmente a esta hipótesis. Para describirlas, resumamos primero nuestros conocimientos sobre las intensidades (constantes de acoplamiento) de las fuerzas de la naturaleza. La constante de acoplamiento de la fuerza electromagnética es numéricamente de 1/137, o sea, alrededor de siete milésimas. La «debilidad» de la fuerza débil –aproximadamente una cienmilésima– proviene, no de su constante de acoplamiento, sino de su corto alcance. A energías elevadas, ambas fuerzas poseen intensidades y alcances parecidos. Este hecho está en la base de la unificación electrodébil. La fuerza nuclear es alrededor de cien veces más fuerte que la fuerza electromagnética. Su constante de acoplamiento es vecina de la unidad.

Ahora bien, se trata de constantes de acoplamiento cuyo primer nombre asignado, se puede decir, es el teóricamente apropiado. La nucleosíntesis del Big Bang nos ha suministrado una información preciosa para este punto: entre el momento del nacimiento de los núcleos de helio –a diez mil millones de grados– y hoy, no han cambiado un ápice. Pero esta misma teoría nada nos dice sobre los tiempos más antiguos. Pero no se puede calificar lo mismo cuando se está trabajando con aceleradores. La muestra es clara y sorprendente. El estudio de las colisiones de partículas en el laboratorio demuestran que, más allá de una cierta energía, estas «constantes» ya no lo son. Cambian progresivamente y de manera absolutamente relevante. La fuerza electromagnética se fortifica, mientras que la fuerza nuclear se debilita. A cien mil millones de electronvoltios, la constante electromagnética ha aumentado en un 30%, mientras que la intensidad nuclear ha disminuido en un 80%. Así ocurría en la sopa primordial cuando la temperatura era de 10¹⁵ K. La conclusión se impone: en el lejano pasado del universo, las constantes de acoplamiento eran diferentes. Obviamente que con la potencia actual de los aceleradores no se va a poder llegar a comprobar la hipótesis, pero, a su vez, son ellos mismos los que han dado argumentos teóricos como para no desechar la idea de las GUT's. A más alta energía, la fuerza electromagnética debería intensificarse aún más, mientras que la fuerza nuclear continuaría su debilitamiento. Los valores numéricos de sus constantes de acoplamiento se reunirían en las cercanías de 10²⁴ eV. En consecuencia, si suponemos que llevamos la materia a la temperatura correspondiente, o sea, a 10²⁸ K, las tres fuerzas tendrían la misma intensidad. No se precisa más para acreditar la idea de una unificación de estas tres fuerzas. Claro está que la fuerza de gravedad no se integra todavía.

Tomando como referencia la unificación electrodébil, las ideas de gran unificación hace intervenir las operaciones de simetría de un grupo, implicando esta vez a los electrones, los neutrinos y los quarks. La presencia simultánea de estas partículas en un mismo grupo impone la estricta igualdad de las cargas del electrón y del protón (compuesto por tres quarks). Recordemos al respecto las operaciones de simetría del cuadrado. Para que las rotaciones sean indiscernibles, es preciso que los ángulos sean exactamente múltiplos de 90 grados. Si bien no se puede pensar que lo que se tiene sea algo sólido y concluyente, no obstante dos elementos de observación nos han llevado con naturalidad a la idea de una «gran unificación» de las fuerzas nuclear y electrodébil. Primero, la igualdad de las cargas nos hizo sospechar la intervención de un grupo de simetría que implica la transformación de estas partículas unas en otras. Luego, la variación de las constantes de acoplamiento de estas fuerzas con la energía, la que nos permite estimar la temperatura requerida para esta unificación: alrededor de 10²⁸ K (10²⁴ eV).

La temperatura y potencia que hemos estimado para una GUT, están bastante más allá de las más altas energías obtenidas en laboratorio (solamente 10¹⁸ eV). Los conocimientos obtenidos siguen siendo precarios e inciertos, naturalmente. Pero, de alguna manera, la humanidad algo hará en el futuro para satisfacer esta necesidad de conocimiento tan propia de su naturaleza. ¿Cuál podría ser el estado de la materia en esas condiciones ambientales? No se puede precisar las consecuencias, pero la transformación de los quarks en electrones tendría efectivamente más de alguna, puesto que implicaría que los protones no son estables. Cuando los quarks de un protón se transforman, el protón desaparece. De este modo, todos los átomos estarían amenazados. Después de estas desintegraciones, los fotones, los electrones y los neutrinos resultarían los únicos constituyentes del cosmos. ¿Pero en cuánto tiempo? Sobre esta cuestión, nuestra propia existencia es portadora de informaciones. Esta desintegración de los nucleones, si se produce, forzosamente debe ser muy lenta. Además, poseemos meteoritos de varios millones de años.

El caso del neutrón va a iluminarnos. Su desintegración implica, ya lo vimos, la creación de una partícula W. La debilidad de la interacción débil –de la que la gran masa de W es responsable– permite que el neutrón dure veinte minutos. Una masa más grande de W le otorgará una duración más extensa aún. Supongamos ahora que la fuerza de gran unificación sea transportada por una partícula nueva todavía más masiva. El principio de incertidumbre de Werner Heisenberg nos asegura que la creación de estas partículas será aún más escasa, y la duración de vida del protón aún más extensa. ¿Cuál debería ser la masa de una partícula capaz de asegurar al protón una existencia de 10²⁹ años y más? Respuesta: por lo menos 10²⁴ eV. Esta masa corresponde a la energía en que las constantes de acoplamiento se encuentran. En el fondo, es la «coincidencia» que más entusiasma a los físicos para hallar una teoría convincente y demostrable que concluya en una gran unificación.

Hasta ahora, los modelos GUT's sólo teóricamente unifican tres de las fuerzas conocidas de la naturaleza: la fuerte, la débil y la electromagnética. Puede que existan fuerzas completamente nuevas distintas de esas tres y de la gravedad y que se manifiesten sólo a distancias muy cortas o a energías altísimas. Tales fuerzas no aflorarán hasta que no se construyan aceleradores con energía suficiente para ponerlas de manifiesto, energía que podría producir un supercolisionador que no se sabe si alguna vez se podrá construir, dado su costo y tamaño.

Una fuerza nueva de este género, que de momento sólo existe en la imaginación, la predijeron, independientemente, Steven Weinberg, de la Universidad de Tejas, y Leonard Susskind, de la Universidad de Stanford, y se denominó fuerza «tecnicolor» o «hipercolor». Estos teóricos suponen que dicha fuerza podría manifestarse a energías por sobre los 10²⁴ eV. La fuerza tecnicolor imita la fuerza coloreada conocida que mantiene los quarks unidos. Pero se manifiesta a través de una nueva serie de «gluones tecnicolor», que interactúan con una nueva serie de quarks, los «tecniquarks», que se unen para formar «tecnihadrones», similares a hadrones ordinarios como los protones, neutrones y piones, pero de masa mucho mayor. Si estas ideas respecto al tecnicolor fueran correctas, en super potentes aceleradores se crearían nuevos tecnihadrones, igual que en los aceleradores actuales se crean hadrones ordinarios.

Los físicos no introdujeron la fuerza tecnicolor sólo para imaginar nuevas partículas hipotéticas con las que poblar el vacío de nuestro desconocimiento. Pretendían también profundizar en el conocimiento de los parámetros no explicados del modelo estándar, como la magnitud de las masas quárquicas ordinarias. Quizá las nuevas fuerzas tecnicolor puedan explicarlas. Por desgracia, la idea de las fuerzas tecnicolor no ha conseguido aclarar mucho esos problemas, y plantea más incógnitas si se quieren combinar las interacciones débiles ordinarias con las fuerzas tecnicolor. A pesar de estas dificultades, el tecnicolor es una «idea de la historia sin fin…» que podría resultar importante cuando se logren construir superaceleradores. Nadie puede desechar la existencia de nuevas fuerzas de muy corto ámbito, y las partículas cuánticas de esas fuerzas podrían hacer florecer nuestro desierto de desconocimientos.

Las teorías del campo unificado y las de las fuerzas tecnicolor que podría añadirse a ellas, sólo representan una de las tentativas (la principal) de unificar las fuerzas de la naturaleza. Otra propuesta para unificar las diversas partículas cuánticas es la de que éstas no son entidades elementales, sino compuestas. Cuando los físicos hallaban, en el pasado, lo que tomaban por un objeto «elemental», como el átomo o el protón, descubrían luego que el objeto estaba en realidad compuesto por otros objetos aún más pequeños. ¿Por qué no van a estar sometidos los quarks, los leptones y los gluones a una posterior descomposición?

Quizá sean compuestos. Sin embargo, los físicos que han investigado este supuesto no han hallado modo de aplicarlo. En el pasado, la idea de que una partícula era compuesta (sin ninguna prueba experimental directa de que lo fuese) explicaba normalmente alguna otra propiedad, desconcertante por lo demás, de dicha partícula. La idea de que los átomos se componían de electrones y núcleos ayudó a explicar, por ejemplo, el espectro de luz que emitían. Asimismo, de la idea de que los hadrones estaban formados por quarks, se deducían relaciones correctas entre las masas hadrónicas observadas.

En sus trabajos sobre unificación, Pati y Salam investigaron la idea de los «preones», objetos más pequeños que los quarks y los leptones, de los que éstos podrían componerse. El físico israelí Haim Harrari elaboró el modelo «rishon» de quarks y leptones, en el que se consideraban formados por dos «rishones» todos los quarks y leptones observados. A pesar de estas hipótesis y muchas otras, la idea de que los quarks y los leptones sean compuestos no ha ayudado mucho a explicar sus masas u otras propiedades. Esto es decepcionante. Quizá se deba a que los físicos aún no han hallado el modelo compuesto correspondiente o a que no aplican como es debido las ideas de composición. La idea de que los leptones y quarks sean compuestos es otra «idea de la historia sin fin…» más, a guardar en el cajón por si alguien descubre cómo funciona.

Aunque no hay ni un solo dato experimental que directamente las apoye, las GUT's siguen en un nivel importante de atención en la investigación física teórica actual. Estimula a los físicos el hecho de que estas teorías les permitan unificar tres fuerzas de la naturaleza, aunque sea sólo teóricamente. Hace unos treinta años, tal unificación habría parecido inconcebible, Pero hoy la unificación de todas las fuerzas de la naturaleza sigue figurando en una posición preeminente en los programas de la física. Encontrar pruebas de la desintegración protónica será una importante confirmación de las GUT's. Pero, aunque los físicos experimentales no vean protones desintegrándose, esto sólo significa que la vida protónica puede ser mayor de lo que ellos pueden medir. El que no hubiese desintegración protónica sería otro dato que limitaría los modelos teóricos de las GUT's, pero no sería el fin de la idea.

Muchos teóricos se han esforzado por generalizar aún más estas teorías para que incluyan un nuevo tipo de simetría (supersimetría), en la que se convierten campos con espín de medio entero en campos de espín un entero y viceversa. Estos modelos reciben el nombre de «teorías supersimétricas del gran campo unificado» o «SUSY GUT's». Su campo de experimentación es el universo muy primitivo: la dinámica del universo inflacionario, una etapa del universo anterior al Big Bang. Otras teorías, más amplias incluso que las GUT's, son las de la supergravedad, ampliaciones de la teoría general de la relatividad de Einstein, que incluyen la cuarta fuerza, la gravedad.

La idea de las GUT's surgió del éxito que tuvo la revolución de la teoría del campo de medida y el subsiguiente modelo estándar de quarks, leptones y gluones. Pero las GUT's no fueron el único producto de esta revolución científica. Los físicos que investigaron matemáticamente las teorías del campo de medida descubrieron una clase de objetos totalmente nueva que podría habitar el micromundo cuántico. El más interesante de estos objetos es el monopolo magnético, una partícula dotada de una sola unidad de carga magnética y que es distinta a todo lo observado hasta ahora. Varias GUT's predicen los monopolos magnéticos y, si tales teorías fueran correctas, podríamos descubrirlos algún día.