Casino científico

“Por ridícula que parezca la idea de la ruleta, todavía más ridícula es la opinión vulgar, tan generalizada, de que esperar algo del juego es estúpido y absurdo.”

Fedor Dostoievski

El 16 de Junio de 2016 vence el plazo de una de las apuestas más polémicas de la física teórica del siglo XXI. La historia de este desafío se remonta a la conferencia “Métodos no perturbativos en teoría de campos y teoría de cuerdas”, realizada en Copenhague en Junio del 2000. En ese contexto, un puñado de físicos teóricos destacados escribieron y firmaron un documento en el que se comprometían a entregar, cada uno, una botella de coñac de 75cl de no menos de 50€ en caso de resultar del lado equivocado, para el año 2010. El documento finaliza así:

“Los ganadores organizarán un encuentro con todos los involucrados, antes de Julio de 2011. En ese encuentro, el Coñac entregado por los perdedores será consumido por todos conjuntamente.”

Los científicos han apostado por fenómenos predichos por teorías físicas como la detección directa de las ondas gravitacionales y por la aparición del bosón de Higgs, entre otras.  De todos los físicos teóricos del siglo XX, Stephen Hawking es el rey de las apuestas. La más famosa fue en 1975, cuando le apostó a Kip Thorne que los agujeros negros no existían. Irónicamente, él mismo había puesto gran esfuerzo en el estudio de los agujeros negros y de hecho, en ese mismo año obtuvo junto con Sir Roger Penrose la Medalla Eddington de la Academia Real de Astronomía del Reino Unido por su trabajo sobre singularidades en relatividad general, problema muy relevante para el entendimiento del colapso estelar, agujeros negros y el Big Bang. Según Hawking, la apuesta funcionaria como una especie de premio de consolación: de no descubrirse ningún agujero negro en el corto plazo, al menos obtendría de Thorne una suscripción de 4 años a la revista satírica “Private Eye”. En cambio, si se descubrían los agujeros negros, Hawking debía entregar a Thorne una suscripción de un año a la revista Penthouse. Para finales de los 80s, los astrofísicos tenían 95% de certeza de que Cygnus X1, un objeto de 15 masas solares, ubicado en la constelación del Cisne, era un agujero negro. Entonces, Hawking pagó la apuesta.

En esta ocasión, la pregunta sobre la mesa de juego, ha mantenido en vilo a los físicos teóricos de altas energías desde hace casi 50 años. Me refiero a la existencia de una simetría que, de estar presente en la naturaleza, extendería al doble el zoológico de partículas subatómicas conocidas, esta es: la supersimetría. No, no es un chiste, así se llama. El reto originalmente, quedó expresado así:

“¿Usted piensa que dentro de los próximos 10 años, el 21 de Junio de 2010, a las 12 del mediodía CET, al menos una partícula supersimétrica será descubierta experimentalmente? Y dice entre paréntesis: El término descubierta, significa universalmente reconocida por la comunidad, a juzgar por un comité independiente de 3 hombres/mujeres sabios designados por las partes.”

Los participantes debían firmar en una de tres columnas: “Sí”, “No” y “Me Abstengo”. Transcurridos los 10 años, incidentes literalmente técnicos forzaron a las partes a extender la apuesta. Finalmente la fiesta del coñac se realizará en el 2016.

¿Qué es la supersimetría exactamente?, ¿por qué es una idea tan exitosa?, ¿por qué valió la pena extender la apuesta hasta el 2016? Un modelo teórico es, en muchos sentidos, una apuesta. Generalmente, las propuestas más exitosas son las que están mejor fundamentadas. En el caso de la supersimetría, la belleza de la teoría le quita el aliento a los físicos de partículas. Veamos los detalles.

Las sustancias subatómicas tienen una propiedad física, que no existe en el mundo macroscópico, que se llama el espín. Descubierta experimentalmente por Otto Stern and Walther Gerlach en 1922, representó un hito, estableciéndose como una de las contribuciones más importantes de la física cuántica. El experimento consiste en hacer pasar un haz de átomos de plata por un campo magnético variable. Clásicamente se espera que el haz tome un continuo de posibles orientaciones, sin embargo lo que se observa es una clara separación en solo dos haces bien definidos. Esto indica que existe una propiedad intrínseca del átomo y sus componentes que está cuantizada. Esta propiedad es precisamente el espín. Distintas sustancias subatómicas pueden tener diferente espín, de modo que es posible clasificarlas. Desde el punto de vista de sus interacciones, las partículas caracterizadas por cierto tipo de espín cumplen con un principio fundamental, conocido como “principio de exclusión de Pauli”, que establece que dos sustancias iguales no pueden ocupar el mismo estado cuántico (de energía, de espín, y de otras cantidades físicas llamadas números cuánticos), al mismo tiempo. La obediencia a este principio, “organiza” a las partículas en átomos y moléculas, y hace posible a la materia como la conocemos.  Aquellas sustancias que cumplen con ese principio se llaman fermiones y las que no, se llaman bosones (( Estos nombres hacen honor al físico italiano Enrico Fermi y al físico hindú Satyendra Nath Bose, quienes proporcionaron las bases teóricas para el entendimiento de los fermiones y bosones )). Los electrones, protones, neutrones y quarks son fermiones y los fotones, gluones, W+,- y Zo  son bosones.  

La supersimetría predice que por cada fermión debe existir una sustancia con exactamente sus mismas características pero que no cumpla con el principio de exclusión de Pauli, es decir, un bosón. Así, por cada electrón, por ejemplo, de existir una partícula con su misma carga eléctrica y masa pero clasificable como bosón. Esta partícula se llamaría selectrón. Igualmente, debería ocurrir, que por cada bosón exista un fermión con exactamente el resto de sus propiedades. Ahora bien, una pregunta interesante puede ser ¿Si el selectrón tiene la misma masa que el electrón, por qué nadie lo ha visto? La respuesta es que, si existe la supersimería, posiblemente a estas alturas esté rota, es decir que ya no esté presente en la naturaleza, pero que pudo haber estado en etapas muy tempranas del Universo, justo después del Big Bang. Si la supersimería existió y esta rota, el selectrón puede andar por allí, pero con una masa distinta a la del electrón.

Supersimetría: poesía del microcosmos.

La supersimetría es una idea que tiene un origen teórico muy profundo, razón por la cual muchos físicos se han resistido a abandonarla, a pesar de que los resultados experimentales, hasta ahora, son más que desesperanzadores. La realidad parece ser que la teoría es demasiado buena para ser verdad.  

En 1967, en pleno apogeo del entendimiento de la estructura de la teoría cuántica que describe a la materia y sus interacciones, dos profesores de Harvard, Sidney Coleman y Jeffrey Mandula, publicaron un teorema (( Un teorema es una proposición que puede ser demostrada siguiendo un marco lógico, a partir de un conjunto de postulados )) de imposibilidad, esencial para el Modelo Estándar ((Sidney Coleman and Jeffrey Mandula, “All possible symmetries of S matrix”,  Physical Review, Vol 159, 5, pp. 1251-1256, 1967)). En él, quedan establecidas cuáles pueden ser todas las simetrías presentes en el modelo. Las simetrías en física son fundamentales pues de ellas extraemos información sobre las cantidades que se conservan (energía, momentum, etc), para aprender más sobre simetrías en física te recomiendo este artículo. 

Posteriormente, en 1974, Rudolf Haag, Jan Łopuszański and Martin Sohnius, demostraron que el teorema de imposibilidad tenía una salida (y solamente una) para un tipo particular de simetría: la Supersimetría ((Rudolf Haag, Jan Łopuszański and Martin Sohnius, “All possible generators of supersymmetries of the S-martix“, Nuclear Physics B, Vol 88, pp 257-274, 1975)). Quedando como la única simetría extra válida de explorar acatando el teorema de imposibilidad. Más sorprendente aún fueron las ventajas que presentaba esta extensión al Modelo Estándar. Entre ellas, se demostró un teorema que ofrecía enormes ventajas desde el punto de vista matemático, este es el teorema de No-renormalización ((M.T.Grisaru, W. Siegel and M. Roček, “Improved methods for supergraphs“, Nuclear Physics B, Vol 159, pp. 429-450, 1979)).

Las matemáticas que subyacen al Modelo Estándar son increíblemente difíciles, tanto que las expresiones exactas no se conocen, sólo se estudian aproximaciones. Estas aproximaciones, para algunas magnitudes físicas, resultan estar mal definidas. Entonces se utiliza un procedimiento (controversial para algunos expertos) que se conoce como “renormalización”, a partir del cual las cantidades mal definidas quedan bien definidas. Por otro lado, el bosón de Higgs presenta problemas de discrepancias entre la masa que se mide en sus interacciones y la calculada con la teoría cuántica. El Modelo Estándar con la extensión a la supersimetría no necesita de estos procedimientos de renormalización: La teoría está bien definida desde el principio. y, además, arregla el problema de la masa del Higgs. 

Los científicos de partículas saben que el Modelo Estándar no es la última palabra, que debe haber una teoría más completa o que va “más allá del Modelo Estándar” (o lo que algunos llaman “nueva física”), de modo que la supersimetría representa una esperanza de tener una teoría bien definida matemáticamente y que esté efectivamente más allá del Modelo Estándar. Incluso existe la posibilidad de incluir gravedad (o supergravedad). Misterios como la materia oscura pudieran tener explicación dentro de modelos con supersimetría. Además, teorías de unificación muy populares como la de cuerdas requieren de supersimetría para ser consistentes.

Una apuesta vieja, un nuevo documento y un  sueño elegante que se desvanece.  

Pasados los 10 años, en el 2010, las partes involucradas en la apuesta decidieron extenderla debido a la cantidad de problemas técnicos que encaró el Gran Colisionador de Hadrones del Centro Europeo para la Investigación Nuclear  (LHC por sus siglas en Inglés y CERN por sus siglas en francés), el acelerador de partículas más potente construido por el hombre, finalmente puesto en marcha en el 2008. De modo que se consideró justo extender el reto. El nuevo documento se hizo oficial en Agosto de 2011 nuevamente en Copenhague, Dinamarca. Durante esa cita, la lista de implicados se amplió en todas las columnas. De hecho la lista del “Sí” creció considerablemente. La fiesta del coñac tendría que esperar, pero con más participantes.         

Después de las celebraciones por el hallazgo del Higgs en el 2012, el Gran Colisionador de Hadrones fue actualizado y mejorado, arrancando nuevamente en el 2015 con el doble de su potencia. Desde entonces, dos de sus grandes detectores independientes, el CMS y el ATLAS, han estado buscando rastros de supersimería, sin éxito.

Llagado Junio de 2016, el conjunto de perdedores es claro: Ningún experimento ha encontrado rastros de la escurridiza supersimetría, hasta ahora.  Ni en los aceleradores en tierra, ni en observatorios de captura de rayos cósmicos. Pierde la columna del “Sí”.

El juego terminó para esta apuesta y la fiesta de coñac se materializará. No obstante, los aceleradores siguen buscando, de modo que en el futuro, puede que el Universo nos depare alguna (super)sorpresa.