Nuevas teorías, materia oscura, nuevas partículas.

El estado actual de la cuestión es que los cosmólogos creen saber que hay una gran cantidad de materia oscura en el Universo y, han conseguido eliminar la candidatura de cualquier tipo de partícula ordinaria que conocemos. En tales circunstancias no se puede llegar a otra conclusión que la materia oscura debe de existir en alguna forma que todavía no hemos visto y cuyas propiedades ignoramos totalmente.

A los teóricos nada les gusta más que aquella situación en la cual puedan dejar volar libremente la imaginación sin miedo a que nada tan brusco como un experimento u observación acabe con su juego. En cualquier caso, han producido sugerencias extraordinarias acerca de lo que podría ser la “materia oscura” del universo.

La forma en que llevan este asunto es esta: toman una teoría en boga de modo general acerca de la interacción de los constituyentes fundamentales de la materia y notan que la teoría requiere o permite la existencia de algún tipo de partícula nueva. Se examinan las exigencias de la naturaleza de esta partícula aún no descubierta, y si puede desempeñar el papel de materia oscura fría (resulta que desde el punto de vista de la creación de la estructura observada en el Universo, la característica más importe del proceso de desaparejamiento para la materia oscura es la velocidad de las partículas cuando son libres. Si el desaparejamiento tiene lugar muy pronto en el Big Bang, la materia oscura puede salir con sus partículas moviéndose muy rápidamente, casi a la velocidad de la luz. Si es así decimos que la materia oscura está caliente. Si el desaparejamiento tiene lugar cuando las partículas están moviéndose poco a poco –velocidad significativamente menor que la de la luz- decimos que la materia está fría) o caliente y a partir de ahí se anuncia con gran fanfarria que el constituyente último del universo ha sido descubierto.

De esta manera se vinieron a unir la física de partículas y la cosmología y la existencia de cada partícula que, en cada teoría fueron sugeridas originalmente por razones que nada tienen que ver con la estructura del universo. El estudio de sus propiedades estaba impulsado únicamente por las exigencias internas de las teorías que se forjaban para explicar las interacciones entre partículas fundamentales. Sólo después de que esos pasos se habían completado se comprendió que esas partículas podían desempeñar un papel cosmológico.

En relación a la materia oscura relacionadas con eso que llaman WIMPs, como posibles candidatas a ser las constituyentes de la materia oscura (WIMP, un acrónimo de Partícula Masiva de Interacción Débil). Claro que, habrá que considerar a los estimables candidatos sugeridos en los últimos años, y, por otra parte, habría que considerar aquellos que no son estimables como posibles candidatos. Pero antes de comenzar este ejercicio de imaginación, me gustaría subrayar enfáticamente una cosa: ninguna de las formas de materia que se mencionaran –ni una sola- ha sido vista nunca en un laboratorio. Pueden pensar ustedes que tienen que existir, incluso pueden alegar que si hubiésemos buscado suficientemente las hubiésemos encontrado; pero algún científico medieval pensaba lo mismo del unicornio.

Como la descripción de posibilidades más exóticas nos conducirá a algunas regiones bastante abstractas de la física de partículas elementales, el lector que desee ahorrarse la aventura puede saltar directamente hacia delante, exactamente al lugar donde he enumerado los candidatos a la materia oscura y sus propiedades.

Supersimetría

El mayor número de candidatos para la materia oscura surge de un principio conocido como supersimetría. Las teorías que presuponen la supersimetría son aquellas que unifican las cuatro fuerzas; las teorías últimas que gobiernan el primer instante de la vida del universo. En la frívola jerga de la moderna cosmología, algunas veces se habla de ella como TOE, la Teoría de Todas las Cosas.

¿Qué es la supersimetría?

Cuando la materia se rompe en sus constituyentes últimos, reconocemos dos tipos de partículas elementales. En primer lugar están los Quarks y partículas como el electrón (leptones) que constituyen la materia sólida. Estas partículas están agrupadas bajo el término general de “fermiones”, por Enrico Fermi, el físico italo-norteamericano que fue el primero en investigar sus propiedades. Se caracterizan por el hecho de que giran alrededor de sus ejes de rotación a ritmos que son fracciones semienteras de una unidad básica de rotación. En otras palabras, tienen un spín  ½, 3/2, etc., pero nunca 1, 2,… y responden a la estadística de Fermi-Dirac.

La segunda clase de partícula se llama “bosones”, por el físico indio S.N., Bose. Estas partículas tienen un spín 0, 1, 2, etc. A diferencia de las fermiones, no son parte de la estructura de la materia sólida. Por el contrario, saltan entre otras partículas, creando las fuerzas que ligan a la materia (o, en ocasiones, la separan). El Bosón más familiar es el fotón, la partícula asociada con la luz ordinaria. Cuando los fotones son intercambiados hacia delante y hacia atrás entre dos partículas cargadas (por ejemplo, un electrón y el núcleo alrededor del cual gira), el cambio crea las fuerza eléctrica familiar.

Así pues, se puede pensar en el átomo como manteniéndose unido por los protones, que son intercambiados entre los electrones y el núcleo. Es en el átomo donde podemos ver más claramente los papeles de los dos tipos de partícula. La estructura del átomo –la materia sólida de que está hecho- de electrones, protones y neutrones. Todos ellos son fermiones. Lo mismo que los Quarks, que forman los protones y neutrones. Pero estas partículas son mantenidas juntas en su estructura por el constante intercambio de Bosones. Igual que los fotones mantienen los electrones en órbita, partículas análogas llamadas gluones mantienen juntas las partículas en el núcleo.

Lo interesante sobre los fermiones y Bosones es esto: nunca vemos en el laboratorio una interacción en la que un tipo de partícula se cambie en otra. En otras palabras, parece que hay un muro impenetrable entre las dos clases de partículas, pues están divididas para siempre de acuerdo con la función que llevan a cabo. Esta distinción debe haberse mantenido desde que las Gravedad se separó de las otras fuerzas, un momento en el que el universo tenía 10ˉ⁴³ segundos de edad.

Por diversas razones técnicas resulta que, si queremos redactar la teoría unificada última, una teoría en la que la gravedad sea tratada del mismo modo que todas las otras fuerzas, debemos introducir reacciones en las que los fermiones puedan convertirse en Bosones y los Bosones en fermiones. En efecto, la distinción entre las partículas como estructura y las partículas como fuerza no debe de haber estado presente cuando el universo nació, y debe haber aparecido después de la primera congelación, cuando la gravedad se separó de todas las otras fuerzas. (Debemos observar que, cuando las partículas se pueden convertir unas en otras en cualquier tipo de interacción, los físicos piensan que son las mismas partículas. De forma semejante que ustedes son las mismas personas vestidos con traje de negocios o con el chándal de correr).

Un mundo en el que no se mantenga la distinción entre Bosones y fermiones se dice que es supersimétrico. Sería un mundo de simplicidad total, porque sólo habría un tipo de partícula, y constituiría tanto la estructura como la fuerza. El modo más prometedor de comprender los orígenes del universo parece implicar teorías que postulan que todo comenzó en un estado supersimétrico.

Tales teorías predicen también que en el comienzo, cuando el universo era supersimétrico, había compañeros – imágenes en el espejo, por así decirlo- de todas las partículas familiares. Sabemos que hoy en nuestro mundo hay un Bosón llamado fotón que genera la fuerza eléctrica. Las teorías de supersimetría dicen que antes de que la Gravedad se congelara separándose de las otras fuerzas, había otra partícula, idéntica al fotón en todo, excepto que tenía un spín de ½ en lugar de 1. Esta otra partícula, llamada fotino, era un fermión. En el universo joven esta partícula y el fotón se podían transformar la una en la otra.

Cuando la Gravedad se separó de las otras fuerzas la simetría entre Bosones y Fermiones desapareció y la primera simplicidad del universo se perdió. Desde el punto de vista de las partículas, esta pérdida de simetría se manifestó en un proceso en el cual el fotino se hizo más masivo, mucho más pesado que el protón. Las teorías predicen que en el universo actual hay un tipo de mundo espejo formado por los compañeros supersimétricos de todas las partículas que vemos normalmente. Por ejemplo, sabemos que hay una partícula llamada electrón, pero las teorías nos dicen que también sería posible un análogo supersimétrico del electrón que tenga spín 1 en lugar de spín ½ y sea muy masivo. Esta partícula se llama selectrón. También se supone que hay Squars (los análogos de los quarks), sneutrinos (análogos de los neutrinos), y así sucesivamente. Quizá hay incluso shombres y smujeres, aunque las teorías aún no han planteado la cuestión, al menos que yo sepa.

Ahora bien, esas teorías no exigen que las partículas supersimétricas se congreguen en los mismos lugares que la materia ordinaria. Ni tampoco nos dan ninguna noción firme de cuanta masa se supone que tiene una cosa como el fotino, aunque la opinión corriente es que el fotino es probablemente al menos cuarenta veces más masivo que el protón. Al mismo tiempo, las teorías requieren que, una vez rota la simetría, la interacción entre el mundo supersimétrico y el nuestro debe ser muy débil. Todas las “spartículas” deberían ser mucho más esquivas que el neutrino, e imposibles de detectar directamente con nuestra tecnología actual (dejando aparte al LHC que, en este campo, si en verdad existen esas partículas, podría darnos alguna sorpresa).

Con todas estas propiedades, las partículas supersimétricas son candidatos perfectos para la materia oscura. Son masivas, así que pueden ejercer una fuerza gravitatoria. Interaccionan débilmente, así que no interferirían con el funcionamiento normal de cosas como estrellas o aceleradores de alta energía. ¿Qué más se podría pedir?

La realización más a la moda de la idea de la supersimetría está contenida en lo que se llaman teorías de “supercuerdas”. En estas teorías los constituyentes básicos de todas las partículas son diminutas cuerdas de materia muy densa enterradas dentro de una especie de nube esponjosa de materia que forma las capas exteriores de las partículas familiares. Las cuerdas son muy pequeñas, pues no tienen más de 10ˉ³³ cm de largo. El tipo de cuerda que se supone forma el corazón de la materia tiene de este modo la misma relación de tamaño que un protón que la tenemos nosotros con una galaxia pequeña. En las primeras teorías formuladas de cuerdas, los fermiones correspondían a lazos, mientras que los Bosones corresponden a cuerdas abiertas. Incluso los quarks se supone que están formados de cuerdas si se los mira lo bastante cerca.

Si suponemos que el corazón de la materia tiene algún tipo de estructura fibrosa, entonces existe una útil analogía que nos ayuda a comprender como debe comportarse la materia (particularmente materia supersimétrica). Todos hemos podido ver y oír lo que ocurre cuando se tañe una cuerda de guitarra, y, podríamos pensar que si se “tañe” una supercuerda, ésta también puede vibrar (como la cuerda de la guitarra) de muchos modos diferentes y, cada uno de estos modos tendrá una energía y una masa diferentes de los otros. Entonces, cuando miramos una supercuerda vibrando, vemos algo que tiene masa, y una masa diferente de una cuerda vibrante a otra. Pero esto es precisamente lo que vemos cuando miramos partículas diferentes, pues también tienen diferentes masas. Esto explica uno de los principios centrales de la teoría de supercuerdas. Cada uno de los infinitos modos posibles de vibración de la cuerda corresponderá a una partícula diferente; así esperamos que haya un número infinito de partículas posibles en el mundo.

Esta idea también nos conduce a sospechar que, si una cuerda es pulsada (por ejemplo al añadirle energía una colisión de alta energía), los armónicos más altos finalmente se extinguirán, dejando sólo el modo fundamental de vibración. Éste es un punto importante, porque significa que si buscamos partículas supersimétricas, es fácil que encontremos sólo las correspondientes al modo fundamental de oscilación, que interpretamos como partículas supersimétricas de la masa más baja. Claro que, lo dicho hasta ahora aunque pueda parecer algo caprichoso, no es nada si lo comparamos con el hecho de que, además, estas cuerdas no pueden vibrar en las tres dimensiones ordinarias, ni siquiera en un mundo de cuatro dimensiones de Einstein. Las teorías de cuerdas nos dicen que estas deben vibrar en 10, 11 o 26 dimensiones (¿Estáis seguros de querer seguir leyendo todo esto en lugar de saltar y pasar al resumen final?)

Nunca hemos podido (en nuestro mundo físico y “real”) el poder visualizar más de tres dimensiones, pues no se puede hacer. Nuestro mundo y nosotros mismos somos tridimensionales y, situarnos en un mundo de más dimensiones resulta imposible, ni siquiera mentalmente lo podemos conseguir. Los teóricos se ven obligados a considerar este tipo de cosas porque sólo en muchas dimensiones las teorías que ellos escriben evitan tener algo llamado anomalías. La definición técnica de este término no importa: un matemático reacciona a una anomalía en sus ecuaciones como ustedes reaccionarían cuando el banco les comunica que se han sobrepasado a la hora de extender cheques de su cuenta corriente. Las anomalías son mala cosa y deben ser evitadas a toda costa, aunque esto signifique (en el caso de estas teorías) tener que amontonar las dimensiones.

Sin armar un alboroto respecto a la multidimensionalidad, me gustaría decir que no existe ninguna razón por la que debamos esperar librarnos de las anomalías en ninguna dimensión. La solución que encontraron los teóricos es parecida a la que ustedes encontrarían si descubrieran que podrían equilibrar su cuenta si utilizasen para los cheques papel con diez, once o veintiséis líneas, pero no en cualquier otra circunstancia. Claro que, todo esto, tanto a ustedes como a los físicos, los dejaría envueltos en una sensación de misterio.

Naturalmente, la multiplicidad de las cuerdas nos conduce a otro problema. Después de todo vivimos en un mundo de cuatro dimensiones (si le otorgamos al tiempo la categoría de dimensión). Para resolver esta disparidad, los teóricos de supercuerdas postulan que cuando la gravedad se congeló, las dimensiones extras sufrieron un proceso llamado “compactificación”. Como el nombre indica, la teoría predice que las dimensiones sobrantes “se ensortijaron” de forma que el mundo parece cuatridimensional a menos que se lo mire a una escala realmente fina.

¿Qué vamos a hacer con las supercuerdas? Por un lado proporcionan una Teoría de Todas las Cosas verdaderamente bella y elegante. Ofrecen un esquema en el que todas las fuerzas aparecen en pie de igualdad, la realización última del sueño de Einstein. Incluso tienen la ventaja de que en algunas versiones la gravedad se unifica con todas las otras fuerzas de forma que describen fuerzas unificadas incluso en nuestro mundo actual.

Está claro que los teóricos han llegado mucho más lejos que los experimentadores que, llegados a este punto, no pueden verificar dichas teorías de cuerdas por falta de las herramientas necesarias para ello y que, principalmente estaría referida a la no disponibilidad de la energía necesaria para poder llegar a esas cuerdas vibrantes que requieren la energía de Planck de 10¹⁹ GeV, cosa que, de momento es impensable en este mundo nuestro que, ya ha quedado asombrado cuando hablamos de la posibilidad de los 14 TeV del LHC. Algunos dicen que la teoría de cuerdas no es de nuestro tiempo y nos hemos adelantado a los acontecimientos del futuro. ¡Ya veremos!

Un posible resultado asombroso delas teorías de las supercuerdas es que pueden dar lugar a otro tipo más de materia oscura. Allí, las ecuaciones parecen sugerir que en el tiempo de Plankc ( Tp = 10ˉ⁴³ segundos –en la cosmología del Big Bang, hasta un tiempo de Planck después del instante inicial, es necesario utilizar una teoría cuántica de la gravedad para describir la evolución del universo-) el universo se dividió en dos partes separadas. Está nuestro mundo con su complemento entero de partículas y compañeras supersimétricas y hay, además, un mundo de sombra. La materia en este mundo de sombra tiene un parecido con la del nuestro en que también tienen sus partículas y “spartículas”. Dentro de cada mundo, las partículas interaccionan unas con otras a través de un complemento entero de cuatro fuerzas. Sin embargo, las partículas de un mundo pueden interaccionar con la del otro sólo a través de la fuerza de gravedad. Un electrón y un electrón de sombre pueden estar uno cerca del otro y no sentir una fuerza eléctrica, aunque cada uno de ellos lleve consigo su propia versión de carga eléctrica. La única fuerza entre los dos sería la fuerza relativamente débil de la gravedad.

La idea de un universo en sombra nos proporciona una manera sencilla de pensar en la materia oscura. El universo dividido en materia y materia se sombra en el Tiempo de Planck, y cada una evolucionó de acuerdo con sus propias leyes. Es de suponer que algún Hubble de sombra descubrió que ese universo de sombra se estaba expandiendo y es de suponer que algunos astrónomos de sombras piensan en nosotros como candidatos para su materia oscura.

¡Puede que incluso haya unos ustedes de sombras leyendo la versión de sombra de este trabajo!

Otro de los WIMPs favoritos se llama axión. Como el fotino y sus compañeros, el axión fue sugerido por consideraciones de simetría. Sin embargo, a diferencia de las partículas, sale de las Grandes Teorías Unificadas, que describen el Universo en el segundo 10ˉ³⁵, más que de las teorías totalmente unificadas que operan en el tiempo de Planck.

Durante mucho tiempo han sabido los físicos que toda reacción entre partículas elementales obedece a una simetría que llamamos CPT. Esto significa que si miramos la partícula de una reacción, y luego vemos la misma reacción cuando (1) la miramos en un espejo, (2) sustituimos todas las partículas por antipartículas y (3) hacemos pasar la película hacia atrás, los resultados serán idénticos. En este esquema la P significa paridad (el espejo), la C significa conjugación de carga (poner las antipartículas) y T la reversa del tiempo (pasar la película al revés).

Se pensaba que el mundo era simétrico respecto a CPT porque, al menos al nivel de las partículas elementales, era simétrico respecto a C, P y T independientemente. Ha resultado que no es éste el caso. El mundo visto en un espejo se desvía un tanto al mundo visto directamente, y lo mismo sucede al mundo visto cuando la película pasa al revés. Lo que sucede es que las desviaciones entre el mundo real y el inverso en cada uno de estos casos se cancelan una a la otra cuando miramos las tres inversiones combinadas.

Aunque esto es verdad, también es verdad que el mundo es casi simétrico respecto a CP actuando solos y a T actuando solo; es decir, que el mundo es casi el mismo si lo miran en un espejo y sustituyen las partículas por antipartículas que si lo miran directamente. Este “casi” es lo que preocupa a los físicos. ¿Por qué son las cosas casi perfectas, pero les falta algo?

La respuesta a esta cuestión parece que puede estar en la posible existencia de esa otra partícula apellidada axión. Se supone que el Axión es muy ligero (menos de una millonésima parte de la masa del electrón) e interacciona sólo débilmente con otra materia. Es la pequeña masa y la interacción débil lo que explica el “casi” que preocupa a los teóricos.

Los cálculos de los cosmólogos muestran que en un universo en expansión sería de esperar que los axiones formen una radiación de fondo parecida a la radiación de microondas de fondo de tres grados. Las irregularidades de este fondo de axiones son los que pueden desempeñar el papel de la materia oscura.

Llegados a este punto y algo mareado de tantos conceptos, partículas y tipos de universos, dejaré este comentario como primera parte y, el resumen o enumeración de los candidatos a la materia oscura, junto con una breve descripción de sus propiedades y una corta explicación de por qué se cree que existen, lo dejaré para la próxima entrada.

emilio silvera

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