Friday, November 4, 2016

NUEVA FÍSICA


Las teorías de nueva física se centran sobretodo en obtener más conocimiento sobre:

  • La Naturaleza del Bosón de Higgs.
  • El Problema de la Jerarquía.
  • El Misterio del Sabor y los Neutrinos.
  • La Materia Oscura y la Energía Oscura.
  • Gravedad Cuántica.



Estas teorías deberían darnos respuestas a preguntas como:


  • ¿Por qué la materia elemental aparece en forma de partículas?
  • ¿Por qué las masas de las partículas son las que son?¿Por qué los electrones tienen masa?
  • ¿Por qué la materia se presenta en una estructura de  3 familias concretamente?
  • ¿Por qué cada familia tiene masas mayores que la anterior?



Naturaleza del Bosón de Higgs


Las cuatro interacciones básicas proceden de simetrías locales, que son un tipo de simetrías internas que permiten que las ecuaciones no varíen aunque los campos se modifiquen. Desafortunadamente aún no sabemos por qué la naturaleza ha escogido tener las simetrías que tiene.

Sin embargo las interacciones de Yukawa, que junto con el campo de Higgs proporcionan la masa a las partículas, no proceden de simetrías locales. Además hay tantas como partículas de materia. Pero ¿De dónde surgen las interacciones de Yukawa?


Gran Colisionador de Hadrones
El solenoide compacto de muones es un detector de partículas ubicado bajo tierra, en una gran caverna excavada en las instalaciones del Gran Colisionador de Hadrones. Este detector ayudará en la búsqueda del bosón de Higgs y en la adquisición de nuevos conocimientos acerca de la naturaleza de la materia oscura


La existencia y el espín de los bosones mediadores de las interacciones vienen impuestos por las simetrías de la teoría. Pero esto no pasa con los fermiones, que tienen espín 1/2 sin que sepamos por qué ni con el bosón de Higgs, que tiene espín cero y tampoco sabemos el motivo.

Finalmente desconocemos si el Higgs es una partícula elemental o una partícula compuesta como, por ejemplo, el protón.

El Problema de la Jerarquía


Este problema consiste en averiguar por qué la fuerza de la gravedad es tan débil o, equivalentemente, por qué las masas de las partículas son las que son y no más grandes. 

La solución a este problema también nos dará información de por qué las interacciones fuerte, débil y electromagnética tienen la intensidad que tienen.

¿Por qué el campo de Higgs tiene el valor que tiene diferente de cero en el punto en que el potencial es mínimo? Este valor condiciona la masa de las partículas.


Potencial del Campo de Higgs
A la derecha, el potencial del campo de Higgs es nulo cuando el campo es nulo. A la izquierda, se ha producido una rotura de la simetría y el potencial no es nulo cuando el campo de Higgs sí lo es


Uno de los dos objetivos principales del LHC (junto con descubrir el bosón de Higgs) es encontrar nueva física que explique el problema de la jerarquía.




Detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones
El ATLAS es un detector de partículas ubicado en las instalaciones del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Se utiliza para buscar posibles pruebas relacionadas con el origen de la masa y con la existencia de dimensiones adicionales


Uno de los nuevos modelos candidatos de nueva física más elegantes es la supersimetría. Es una simetría espacio-temporal que no tiene el Modelo Estándar.

La supersimetría es una transformación matemática que relaciona partículas de distinto espín:

  • Espín semientero con espín entero
  • Espín entero con espín semientero

Otros modelos de nueva física son los de dimensiones espaciales extras, como el de Randall-Sundrum.


Modelo de Randall-Sundrum


Este modelo tiene dos branas, la Brana de la Gravedad y la Brana Débil, en cada uno de los extremos de una quinta dimensión de tamaño finito. La energía del bulk y de las branas curvan drásticamente el espacio-tiempo. La quinta dimensión en este modelo no es grande, pero es muy arqueada.





Branas en un espacio-tiempo de cinco dimensiones
Branas de la Gravedad y Débil (derecha e izquierda respectivamente), ambas de 4 dimensiones separadas por un espacio perteneciente a una quinta dimensión extra


La intensidad de la gravedad depende de dónde esté uno en la quinta dimensión. La gravedad es fuerte en la Brana de la Gravedad y débil en la Brana Débil, en la que residimos nosotros.



Modelo de Randall Sundrum
La quinta dimensión que separa las branas de la Gravedad y Débil (derecha e izquierda respectivamente) es muy arqueada



Desde la perspectiva de un observador que piensa que está en cuatro dimensiones, los objetos poseerian diferentes tamaños y masas si tienen su origen en puntos distintos de la quinta dimension. Los objetos confinados en la Brana de la Gravedad serían muy pesados, mientras que los objetos confinados en la Brana Débil tendrían masas mucho más pequeñas.


Misterio del Sabor y los neutrinos


Las partículas aparecen en tres familias con una jerarquía de masa entre ellas.


Particulas del Modelo Estandar
Partículas del Modelo Estándar. Los quarks y los leptones aparecen en tres familias de dos partículas cada una


Los neutrinos son muy muy ligeros y solo interaccionan a través de la fuerza débil. Su pequeñísima masa es su propiedad más interesante y misteriosa para la física actual. Cuando sepamos el por qué, aprenderemos a la vez algo nuevo y profundo sobre la naturaleza.

La simetría del número leptónico (exacta en el Modelo Estándar) obliga a que la masa del neutrino sea nula, pero podría ser violada a energías muy elevadas, con lo que su masa tiene origen en una nueva física de altas energías.


La Materia Oscura y la Energía Oscura



En el año 1900 los problemas del éter y del cuerpo negro llevaron a dos nuevas teorías revolucionarias: la Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica. Ahora se piensa que los enigmas de la Materia Oscura y la Energía Oscura conducirán a nueva física.

Actualmente se considera que los porcentajes de Materia Ordinaria, Materia Oscura y Energía Oscura son:



  • 70% Energía Oscura
  • 26% Materia Oscura
  • 4% Materia Ordinaria

Estos porcentajes provienen del ajuste necesario para que la densidad de masa-energía y de presión de las ecuaciones de Friedmann proporcionen la constante de Hubble medida experimentalmente. Las ecuaciones de Friedmann estan derivadas de la Teoría General de la Relatividad y forman parte del Modelo Estándar de Cosmología. Únicamente toman como hipótesis adicional el Principio Cosmológico: el Universo es homogéneo e isótropo.



Ecuaciones de Friedmann
Ecuaciones de Friedmann donde H es la Constante de Hubble, a es el factor de escala del Universo, G es la Constante de Gravitación Universal, ρ es la densidad de materia, k designa el tipo de geometría del Universo y p es la presión 



Materia Oscura



Comprendemos bien la gravedad gracias a la Teoría de la Relatividad General de Einstein, cuyas predicciones son muy exactas. A velocidades reducidas respecto a la de la luz y cuando las masas no son grandes la Ley de Newton es una excelente aproximación, pero falla al predecir la velocidad de una estrella en las afueras de una galaxia.



Varios experimentos en múltiples galaxias de calcular su masa han concluido que dos métodos diferentes aparentemente válidos no coinciden en un factor 10.



Materia oscura en la galaxia M33
Una primera prueba de la existencia de la Materia Oscura procede de la observación en 1959 de que la rotación de la galaxia espiral M33 no sigue la Ley de Gravitación Universal de Newton



Uno de estos métodos consiste en calcular la distribución de masa de la galaxia a partir de la velocidad orbital de sus estrellas aplicando la Ley de Gravitación Universal de Newton. El otro método consiste en contar todas las estrellas, gas y polvo.

El error va siempre en la misma dirección en todas las galaxias: la masa necesaria siempre es mayor de la que se observa. O la Ley de Newton no funciona, o existe un nuevo tipo de materia que no interacciona con la luz ni con la materia ordinaria y que además es mucho más abundante que la ordinaria.

Podría suceder que la Ley de Newton deje de funcionar para aceleraciones inferiores a un valor determinado, o equivalentemente, más allá de cierta órbita de la galaxia.




Velocidad orbital de las estrellas en una galaxia

La velocidad orbital de las estrellas en función de su distancia al centro de la galaxia medida y prevista por la Ley de Newton no coinciden




Teorías MOND

Existen ciertas teorías, las MOND (Modified Newtonian Dynamics) que proponen que la fuerza gravitatoria es proporcional a 1/r para aceleraciones menores que 10-8cm/s y proporcional a la raíz de la masa por G para aceleraciones menores.


No obstante las teorías MOND no tendrían mucho sentido porque el hecho de que la fuerza sea proporcional a 1/r² es consecuencia de la Relatividad y de la naturaleza tridimensional del espacio, es decir, de los principios básicos de la física. Y además se ha intentado modificar la Relatividad General sin éxito.


Las teorías MOND funcionan muy bien dentro de las galaxias pero no tan bien fuera y se fundamentan en presunciones que parecen contradecir la ciencia formalmente establecida.

En cuanto al nuevo tipo de materia, tenemos un retrato robot de la misma con las condiciones que debe cumplir:


  • Interacciona muy débilmente con la materia ordinaria, pues solo se ha detectado por la fuerza gravitatoria que ejerce.
  • No puede estar hecha de materia ordinaria (protones, neutrones y electrones) porque los cálculos de la abundancia de estas partículas no coincidirían como lo hacen con la materia ordinaria identificada.
  • No puede estar cargada eléctricamente porque entonces interaccionaría con la luz.
  • Ha de ser muy estable porque se sabe que el porcentaje de Materia Oscura no ha variado desde los inicios del universo.
  • Tampoco puede interaccionar mucho consigo misma.


Las particulas del Modelo Estándar, salvo los neutrinos, no pueden formar parte de la Materia Oscura porque, o bien son electrones, protones  y neutrones, o bien son inestables.

Los neutrinos interaccionan poco con la materia ordinaria y consigo mismos, son estables y eléctricamente neutros. Sin embargo no pueden constituir la Materia Oscura porque el modelo del Big Bang no predice que la masa agregada de los neutrinos existentes en el Universo pueda ser el 27% de la densidad crítica. Además tampoco son materia fría pues los neutrinos se mueven a velocidades cercanas a la de la luz.


WIMPs (Weak Interaction Massive Particles)

Los cálculos teóricos indican que una partícula con una masa del 10% la del protón y que solo interaccione mediante la fuerza débil se habría producido en el inicio del Universo con una abundancia que concordaría con la abundancia de Materia Oscura que observamos.

Los WIMPs son los candidatos más estudiados porque la solución al problema de la jerarquía sugiere la existencia de este tipo de partículas.


La Supersimetría y las WIMPs

La supersimetría proporciona un candidato a partículas desconocidas de tipo WIMPs que formen parte de la Materia Oscura: el neutralino (compañero supersimétrico del fotón, o del bosón Z o del bosón de Higgs) porque es una partícula de masa elevada y carga nula, con lo que no interacciona con la luz.



Particulas supersimetricas de los bosones
Los bosones y sus posibles  compañeras supersimétricas. El Fotino, el Zino y el Higgsino serían diferentes tipos de neutralinos


Particulas supersimetricas de los fermiones
Los fermiones, las partículas que constituyen la materia, y sus posibles supercompañeras


El neutralino es la particula supersimétrica más ligera, la cual tiene casualmente las propiedades de los WIMPs: estable, neutra, interacciones de tipo débil, una masa en el rango adecuado y son fríos.



Teorías de Dimensiones Extra

Partículas ligeras moviéndose a gran velocidad en las dimensiones extras nos parecerían en nuestro mundo tridimensional una partícula en reposo pero masiva, ya que energía y masa son equivalentes según E=mc2.

Otras partículas o teorías de nueva física serían:


  • Axiones.
  • Modelos de Higgs compuestos.
  • Modelos de Higgs múltiples.


Energía Oscura



Por otro lado la expansión del Universo se está acelerando en contra de lo que afirman los modelos cosmológicos basados en la Teoría de la Relatividad para la materia y energía total existente.

Por ello se ha introducido el concepto de Energía Oscura. Esta energía contenida en el propio tejido del espacio-tiempo provoca una gravedad repulsiva, o presión negativa, que acelera la expansión del Universo.


Actualmente la energía oscura no predice nada y aparece para intentar explicar los datos experimentales. No sabemos nada de ella. Solo que los modelos basados en ella funcionan. De la materia oscura tenemos al menos alguna evidencia experimental.


En la actualidad la energía oscura es un misterio. La prueba actual de su existencia es la comprobación de la aceleración de la expansión del Universo en 1998 al estudiar la velocidad de alejamiento de un tipo de supernovas, las Ia. Un resultado totalmente sorprendente porque se esperaba medir el ritmo de frenado de la expansión del Universo.


Pero más sorprendente fue el valor medido de la energía oscura existente, también llamado constante cosmológica. En este estudio de las supernovas Ia se determinó que el valor de la constante cosmológica era el valor increíblemente pequeño de 10-120 Mp/Vp (masas de Planck por Volumen de Planck). ¿Cómo puede ser tan pequeña?


Sin embargo, utilizando las Teorías Cuánticas de Campos, nuestras mejores teorías, obtenemos un valor infinito porque no disponemos de una teoría de Gravedad Cuántica. Si limitamos la escala mínima de estudio a la longitud de Planck obtenemos el valor 1 Mp/Vp. Es un valor 120 ordenes de magnitud mayor que el valor medido! Es sin duda la peor predicción de la historia de la física.


A pesar de esta predicción errónea, la teoría cuántica sí puede proporcionar un mecanismo microscópico para la existencia de la energía oscura. Su origen estaría en las fluctuaciones de los campos cuánticos debido al Principio de Incertidumbre.



Fondo Cosmico de Microondas
La homogeneidad del Fondo Cósmico de Microondas se explica por un brote intenso de gravedad repulsiva como la energía oscura llamada inflación instantes posteriores al Big Bang



Sin embargo un modelo cosmológico únicamente con energía oscura no puede considerarse porque implica una expansión exponencial, lo que va contra el modelo del Big Bang y las evidencias experimentales que este explica.


Expansion del universo segun el Big Bang
Evolución del Universo según el modelo de Big Bang. Se observan dos expansiones aceleradas: al principio en la fase de inflación y en la actualidad por la energía oscura


Parece que el modelo cosmológico correcto (basado en el principio cosmológico y la Teoría General de la Relatividad) debe contener un 70% de energía oscura y un 30% de materia para que de las ecuaciones de Friedmann resulte la Constante de Hubble medida. De este 30% solo hemos identificado un 4% como materia ordinaria. El 26% restante debe ser materia oscura.

El modelo actual asume un Universo que empezó estando  dominado por radiación a alta temperatura. Luego se fue enfriando dando lugar a un Universo dominado por materia que ahora deja su lugar a la energía oscura.

Esto es así porque la densidad de materia disminuye a medida que el Universo se expande mientras que la densidad de energía oscura se mantiene constante pues se crea junto con el propio espacio al expandirse.



Gravedad Cuántica


Existe un problema profundo de consistencia matemática entre la Mecánica Cuántica y la Relatividad General.


Ecuaciones de la Relatividad General
Ecuaciones de la Relatividad General


Hasta ahora se ha conseguido compatibilizar la teoría cuántica con la Relatividad Especial en las llamadas Teorías Cuánticas de Campos. Pero estas últimas siguen siendo incompatibles con la Relatividad General.


Principio de Incertidumbre de Heisenberg
Principio de Incertidumbre de Heisenberg


Para resolver esta incompatibilidad hay que ir más allá de la Teoría Cuántica de Campos (el Modelo Estándar y los modelos de nueva física lo son).

Actualmente habría principalmente dos candidatos: la Teoría de Supercuerdas (Superstring Theory) y la Gravedad Cuántica de Bucles (Loop Quantum Gravity).


Teoría de Supercuerdas

La Teoría de Supercuerdas predice la gravedad pero es difícil de demostrar experimentalmente. El LHC  podría ayudar si demostrara la supersimetría porque es necesaria para la consistencia interna de la Teoría de Supercuerdas.


Detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones
Montaje del calorímetro del detector ATLAS del LHC. Los ocho imanes toroidales rodean al calorímetro, que mide la energía de las partículas que se producen cuando los protones colisionan en el centro del detector



Otro inconveniente de la Teoría de Cuerdas es que es una teoría dependiente del fondo. Es decir, hay una Teoría de Cuerdas para cada geometría del espacio-tiempo posible, que presupone que esta es estática. Pero, ¿Qué sucede si la geometría del espacio-tiempo varía dinámicamente?


Gravedad Cuántica de Bucles

Por otro lado, la Gravedad Cuántica de Bucles parte de una visión granular del espacio. En lugar de un tejido del espacio-tiempo suave y contínuo, esta teoría se basa en la idea de que el espacio tiene escalas mínimas de tamaño.

La idea fundamental de la Gravedad Cuántica de Bucles es olvidar la idea de que el espacio es un escenario donde se desarrollan las teorías físicas, y reformular la teoría cuántica de campos de tal forma que no necesite de un espacio en el que actuar. Por tanto, a diferencia de la Teoría de Cuerdas, la Gravedad Cuántica de Bucles es una teoría independiente del fondo.


Red de Espines de la Gravedad Cuantica de Bucles
A la izquierda geometría lisa (no necesariamente plana) de la Teoría de la Relatividad y de la Teoría de Cuerdas. A la derecha red de espines de la Gravedad Cuántica de Bucles a partir de la cual emerge el espacio tradicional


El espacio deja paso a un concepto llamado "red de espines", un tipo de tejido formado por bucles que, a distancias muy cortas, forman una espuma inestable donde el espacio contínuo deja de existir. De este modo, el propio espacio queda cuantizado al tamaño de la longitud de Planck, por debajo del cual el propio espacio deja de ser contínuo.


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