Un poco de cual es la relacion entre la teoria de las cuerdas y el LHC.

1. Artículo publicado en
Investigación y Ciencia,
n.o 397
FUTURO
La teoría de cuerdas
y el LHC
La teoría de cuerdas es la candidata más firme a teoría unificada de
las interacciones de la naturaleza. El Gran Colisionador de Hadrones
podría dar importante información experimental sobre su validez
Luis E. Ibáñez
EN SÍNTESIS
Según la teoría de cuerdas, las partículas fundamentales del La consistencia matemática de la teoría de La supersimetría predice la existencia de una serie
modelo estándar serían vibraciones de energía de cuerdas cuerdas requiere que cumpla una propiedad: la de partículas; entre ellas, los neutralinos, cuya
abiertas de muy pequeño tamaño, mientras que la gravitación supersimetría. esta despeja también problemas existencia se manifestaría por una aparente no
surgiría de las vibraciones de cuerdas cerradas. ¿existe algu- del modelo estándar relativos a la partícula de conservación de la energía. su detección en el LHc
na posibilidad de comprobar esta hipótesis en un acelerador Higgs, que dota de masa al resto de partículas del cern sería un indicio de la validez de la teoría
cms-cern
de partículas? elementales. de cuerdas.
84 Temas 63 1er Trimestre 2011

2. Se suele suponer que la teoría de cuerdas no se podrá compro- drones (LHC) del CERN alcanzará. Pero aunque no fuera así, el
bar en un acelerador de partículas porque las energías a las que descubrimiento de una nueva clase de partículas, las partículas
la estructura de cuerdas de la materia se manifestaría son dema- supersimétricas, respaldaría en parte la validez de la teoría de
siado altas. Si se cumpliesen ciertas condiciones, sin embargo, cuerdas. En estas fotografías se ve uno de los detectores del LHC,
caerían quizá dentro de lo que el nuevo Gran Acelerador de Ha- el Solenoide Compacto de Muones.
L
a búsqueda de los constituyentes últimos de Lo que ya sabemos
la materia ha significado una de las aventuras Recordemos que la materia está constituida por partículas lla-
intelectuales más importantes del siglo xx. En madas fermiones, que son de dos tipos, quarks (que interaccio-
el pasado siglo se construyeron los tres pilares nan fuertemente) y leptones (que no interaccionan fuertemen-
básicos de la física moderna: la mecánica te). La materia usual, la que conocemos en la experiencia
cuántica, la teoría de la relatividad y la gravi- cotidiana, está constituida exclusivamente por dos tipos de quarks,
tación de Einstein. Se descubrió también la arriba y abajo, y dos tipos de leptones: el electrón y su neutrino
existencia de cuatro interacciones fundamentales en la natura- ne. Todo lo que observamos (incluyéndonos nosotros mismos) está
leza: fuerzas nucleares débiles fuertes, la interacción electro- formado por esos ingredientes. Estas cuatro partículas forman lo
magnética y la gravitatoria. que se llama la «primera generación» de quarks y leptones. Ade-
El denominado modelo estándar de la física de partículas más, existe una segunda generación (los quarks c y s; el muon y
describe de forma satisfactoria, combinando mecánica cuánti- su neutrino nm) y una tercera (quarks t y b; el t y su neutrino nt).
ca y relatividad, todos los resultados experimentales relativos a Estas dos últimas generaciones son partículas inestables y solo
las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas. Y no solo se han detectado por producción en aceleradores, o bien (algu-
eso. En cosmología, la teoría de la gran explosión, basada en la nas de ellas) en rayos cósmicos que chocan contra la Tierra.
gravitación de Einstein, permite entender un buen número de De resultados obtenidos en aceleradores o de tipo cosmoló-
las propiedades observadas en el universo. gico parece seguirse que solo existen estas tres generaciones de
InvestigacionyCiencia.es Universo cuántico 85

3. Al comunicar una energía muy grande a una partícula apa-
rentemente puntual se revelaría su estructura de cuerda. Las vi-
Partícula braciones más ligeras corresponden a la partícula, mientras que
+ Energía Partícula las vibraciones de mayor frecuencia, los armónicos, tienen una
+ masa muy grande y no son observables a bajas energías.
Armónicos
existe un formalismo relativista y cuántico a la vez (la llamada
teoría cuántica de campos), no acontece así con la gravitación.
A fecha de hoy, no existe una teoría cuántica de la gravitación
partículas. Además, se sabe que las tres generaciones son ele- coherente en todos sus extremos.
mentales en el sentido de que no están compuestas por partícu- Efectivamente, a diferencia de las otras tres interacciones fun-
las más fundamentales, al menos según cabe discernir con la damentales, la teoría de la gravitación presenta inconsistencias
precisión de los aceleradores actuales. Estos componentes fun- en el nivel cuántico. Cálculos en teoría cuántica de campos que
damentales de la materia interaccionan por el intercambio de involucran la gravitación dan resultados numéricamente infini-
los bosones intermediarios. El más conocido de ellos es el fotón, tos de difícil interpretación física. Se dice que la teoría es «no
que media la interacción electromagnética, mientras que la in- renormalizable». Este problema parece necesitar una revisión de
teracción fuerte es mediada por los gluones. Finalmente los bo- algunos puntos de vista básicos de la física del siglo xx. Muchos
sones W, Z son los causantes de la fuerza débil. A estos tres ti- piensan que hay que abandonar la idea de que los constituyentes
pos de bosones intermediarios hay que añadir el gravitón, que fundamentales de la materia son partículas carentes de estruc-
es el causante de las interacciones gravitacionales. tura interna. Es el carácter estrictamente puntual que la teoría
Decíamos que solo hay cuatro interacciones fundamentales supone para las partículas lo que parece dar lugar a los infinitos.
en la naturaleza. Sin embargo, esto no es del todo cierto. Si así De esta idea fundamental parten las teorías de cuerdas.
fuera, el modelo estándar describiría un universo muy poco pa-
recido a lo observado (de hecho, no estaríamos aquí para poder Por qué Las cuerdas
contemplarlo). El modelo estándar incluye una nueva partícula Las teorías de cuerdas tienen como premisa que, a muy altas
vital para que las partículas tengan masas no nulas, el llamado energías, las partículas no son puntuales, sino que tienen es-
bosón de Higgs, H. La peculiaridad de esta partícula es que tie- tructura de cuerda. Para «estirar» los extremos de la cuerda y
ne un efecto de frenado sobre todas las partículas; sus efectos ver la estructura extensa de una partícula se necesitaría una
se extienden por todo el espacio, dando lugar a la inercia o masa enorme energía. Las partículas observadas corresponderían a
de todas ellas. La existencia de esta partícula no ha sido verifi- los modos de vibración más ligeros de la cuerda, que son los ob-
cada todavía experimentalmente. Su búsqueda es uno de los mo- servados experimentalmente. En este esquema hay potencial-
tivos principales para el experimento LHC en el CERN. mente una total unificación: todas las partículas son diferentes
«notas» de un solo «instrumento», la cuerda.
Lo que queremos saber Una de las propiedades más interesantes de la teoría de cuer-
A pesar del éxito del modelo estándar en su explicación del uni- das es que predice la existencia de una partícula, de un bosón
verso observado, quedan muchas preguntas sin respuesta. La intermediario sin masa que se acopla universalmente a toda for-
misma estructura del modelo estándar es un poco chocante: ma de materia: el gravitón. Se puede decir que la consistencia de
¿por qué existen tres generaciones de quarks y leptones? Si con la teoría requiere la existencia de la gravitación. Por otra parte,
la primera generación basta para construir toda la materia ob- mientras que las partículas del modelo estándar se asocian con
servada, ¿por qué tal dispendio por parte de la naturaleza? ¿Por los modos más ligeros de cuerdas abiertas, el gravitón aparece
qué hay cuatro interacciones fundamentales en la naturaleza y como el estado de vibración más ligero de la cuerda cerrada.
no más o menos? ¿Y por qué unas son mucho más fuertes que Otra propiedad a resaltar es que el carácter extenso (no pun-
otras? ¿Cuál es el origen de este sector extraño de la teoría, el tual) de las cuerdas hace que desaparezcan los infinitos cuan-
bosón de Higgs, necesario para la generación de las masas y de do se combinan gravitación y mecánica cuántica. Todos los cálcu-
naturaleza tan especial? E incluso cuestiones más básicas como: los en la teoría dan resultados finitos. Se trata del aspecto más
¿Por qué existen tres dimensiones espaciales y una temporal, y interesante de la teoría: las de cuerdas son las primeras teorías
no más o menos? ¿Es el espaciotiempo un concepto fundamen- encontradas que compatibilizan en principio mecánica cuánti-
tal de la teoría o un concepto derivado? ca y gravitación. Para ello se requiere que las cuerdas gocen de
A todas estas y otras muchas preguntas se suma uno de los una propiedad, la de supersimetría, que da nombre a las «teo-
problemas que se ha revelado más difícil de resolver. Mientras rías de supercuerdas»; de la propiedad en cuestión nos ocupa-
que para las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas remos más adelante.
Hay un ingrediente bastante exótico en la teoría de cuerdas:
Cuerdas abiertas Cuerdas cerradas esta se define de forma natural con seis dimensiones espaciales
extra. Es decir, requiere que haya en principio nueve dimensio-
nes espaciales y una temporal. La idea de la posible existencia
cOrTesÍA DeL AUTOr
Las vibraciones menos energéticas de las cuerdas abiertas dan
lugar a la materia habitual: quarks, leptones y bosones interme-
Quarks, leptones,
Gravitón diarios. Las vibraciones de las cuerdas cerradas sobre sí mismas
gluones, W, Z, fotón
dan lugar al gravitón, es decir, a la interacción gravitacional.
86 Temas 63 1er Trimestre 2011

4. Esquema de un espacio con una quinta dimensión: En cada
punto de las dimensiones habituales hay otra dirección posible,
correspondiente a una quinta dimensión más allá de las tres di-
mensiones espaciales habituales y el tiempo. Esta quinta dimen-
sión está curvada sobre sí misma en un círculo de radio R de ta-
maño extraordinariamente pequeño, lo cual hace a esta dimensión
invisible. El tamaño de la dimensión extra es mucho más peque-
D
ño que las distancias exploradas en los aceleradores hasta ahora
im
uales
en
habit
sio
existentes.
ne
s
de dimensiones físicas adicionales no constituye ninguna nove- Quinta
R R Distancias exploradas en aceleradores
dad. Propuesta en 1921 por Teodoro Kaluza, fue elaborada por dimensión
Oscar Klein en 1926. ¿Por qué no se ha visto hasta ahora la exis-
tencia de dimensiones extra?
De acuerdo con la explicación de Kaluza y Klein, las dimen- acelerador LHC [véase «Nuevas dimensiones para otros univer-
siones extra están curvadas sobre sí mismas en un círculo de sos», por Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos y Gia Dvali;
radio R extremadamente pequeño. En tal caso, las partículas Investigación y Ciencia, octubre de 2000]. Se tendría un valor
habituales serían las únicas que observaríamos experimental- de Mcuerda tan bajo si la escala MKK de las dimensiones extra fue-
mente en la vida corriente. Por otra parte, existirían réplicas de se aún muchísimo más baja, del orden de 100.000 veces menor
las partículas habituales que tendrían una masa más alta, dada que Mcuerda , es decir, del orden de unos 0,01 GeV, la centésima
por n/R, con n cualquier número entero positivo. Al ser el ra- parte de la energía correspondiente a la masa de un átomo de
dio R de las dimensiones adicionales tan pequeño, dichas répli- hidrógeno.
cas tendrían una masa muy, muy grande y, por lo tanto, no re- Una escala para las dimensiones extra tan baja parece in-
sultaría posible producirlas en los aceleradores existentes. compatible con los experimentos, pues las réplicas de Kaluza-
En el caso de la teoría de cuerdas, tenemos seis dimensiones Klein de las partículas elementales usuales deberían haber sido
extra cuya geometría es bastante más complicada que seis círcu- observadas experimentalmente, si su masa fuese más pequeña
los. En general, si queremos que la teoría se parezca a bajas ener- que la de un átomo de hidrógeno. ¿Cómo sería posible que las
gías lo más posible al mundo observado, las seis dimensiones réplicas de Kaluza-Klein del modelo estándar no se hubiesen
adicionales deben de corresponder a espacios con ciertas propie- observado ya en los experimentos? Joe Polchinski señaló, en
dades matemáticas muy especiales, que no describiremos aquí. 1995, que en la teoría de cuerdas las partículas del modelo es-
tándar no siempre tienen réplicas de Kaluza-Klein, aunque haya
escaLas de energía dimensiones extra.
Es conveniente recordar las unidades de energía que estamos La idea es que en la teoría de cuerdas las partículas habitua-
considerando. Una unidad de energía habitual en la física de les (quarks, leptones, etcétera, pero no el gravitón) pueden exis-
partículas elementales es el GeV (gigaelectronvoltio). La teoría tir tan solo confinadas en un subespacio más pequeño que el
de la relatividad nos dice que hay una relación entre masa y total de 9 + 1 dimensiones en que se define la teoría. A esos sub-
energía, y que masa y energía se pueden transformar una en espacios en los que se ven obligadas a vivir por razones dinámi-
otra. Es consecuencia de la relación de Einstein, E = mc2, don- cas se les llama «Dp-branas». Estos subespacios tienen dimen-
de E es la energía de una partícula, m su masa y c la velocidad sión igual a p + 1 (p dimensiones espaciales y una temporal), de
de la luz. Así, una energía de un GeV correspondería a la ener- tal manera que en la situación más sencilla se podría asociar el
gía que se obtendría en un proceso (imaginario) en el que un universo observado a una D3-brana. De esta manera, las partí-
átomo de hidrógeno se desintegrase en pura energía. La ener- culas del modelo estándar no tendrían réplicas de Kaluza-Klein,
gía que será capaz de concentrar el acelerador LHC en cada in- mientras que el sector gravitacional sí las tendría. Existe enton-
teracción dentro del detector es del orden de 104 GeV. ces, en principio, la posibilidad de producir réplicas de Kaluza-
Volviendo a la teoría de cuerdas, hay dos escalas de energía Klein del gravitón en aceleradores de partículas como el LHC,
fundamentales en la teoría: la escala de la cuerda Mcuerda y la de como luego comentaremos.
las dimensiones extra MKK. La primera mide la escala por enci-
ma de la cual la estructura extensa de la cuerda se revela; la se- La forma de Las otras dimensiones
gunda, la energía necesaria para percibir la existencia de dimen- La teoría de cuerdas nos da una solución para el viejo proble-
siones extra. El cociente entre escalas está relacionado con la ma de hacer compatible la teoría de la gravitación con la mecá-
constante de la gravitación de Newton. Joel Scherk y John nica cuántica. Cabe ahora preguntarse si será capaz de descri-
Schwarz, los primeros —en 1974— en considerar las cuerdas bir correctamente las otras tres interacciones de la naturaleza
para una teoría unificada, supusieron que ambas escalas de ener- dadas por el modelo estándar. Para que eso ocurra, el número
gía eran iguales; era la elección más natural. Si es así, la escala de dimensiones espaciotemporales debe ser el correcto. Como
de la cuerda será del orden de 1018 GeV, unos mil billones de ve- decíamos, la teoría de cuerdas está formulada de forma natural
ces mayor que las energías que obtendremos en el acelerador en diez dimensiones y para hacer contacto con las cuatro ob-
LHC. Por lo tanto, la teoría de cuerdas no se podría comprobar servadas en la vida diaria las seis dimensiones extra deben ha-
cOrTesÍA DeL AUTOr
de manera directa en aceleradores presentes o futuros. llarse curvadas sobre sí mismas, con un tamaño diminuto. La
Sin embargo, Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos y Gia idea es que existe un proceso dinámico denominado «compac-
Dvali demostraron en 1998 que la escala de la cuerda Mcuerda tación» en el cual estas seis dimensiones extra se contraen y se
puede ser en principio relativamente baja, incluso accesible al hacen diminutas y prácticamente inaccesibles.
InvestigacionyCiencia.es Universo cuántico 87

5. partículas físicas corresponden a vibraciones de masa nula, de
tal forma que en primera aproximación todas las partículas del
modelo estándar aparecerían con masa nula. Sin embargo, en-
tre las vibraciones sin masa de la cuerda debe existir una corres-
pondiente al bosón de Higgs, que es el que dará lugar a las ma-
sas observadas para todos los quarks y leptones, como en la
descripción habitual del modelo estándar.
aLigerar eL Higgs
Aquí reaparece un viejo problema, al que se ha venido en lla-
mar el problema de las jerarquías de escala. Estriba en que la
partícula de Higgs tiende a adquirir, debido a correcciones cuán-
ticas, una masa enorme. Esta masa imponente sale de la proba-
bilidad cuántica de que el Higgs se transforme en un par de par-
tículas del modelo estándar en un tiempo infinitesimal, para
volver a convertirse en el Higgs inicial. Si el bosón de Higgs tie-
ne una masa muy, muy grande, desaparece a todos los efectos
de la teoría y no puede, pues, ser el origen de todas las masas
observadas.
Una de las posibilidades más atractivas para solucionar el
problema de las jerarquías consiste en crear una extensión del
Según la teoría de cuerdas, el espacio no solo tiene las cuatro modelo estándar, capaz de contener una nueva simetría: la su-
dimensiones ordinarias, sino otras seis, curvadas, eso sí, sobre sí persimetría. Se trata de una simetría que asocia a cada bosón un
mismas de modo que nos resulten inaccesibles. De la manera en nuevo fermión y a cada fermión un nuevo bosón. Así, si existe el
que se curven depende el número partículas elementales y la na- fotón debe existir el fotino, y el electrón ha de tener un compa-
turaleza de las interacciones físicas. La ilustración muestra una ñero supersimétrico, el selectrón. El bosón de Higgs presenta un
sección bidimensional proyectada en tres dimensiones de un es- compañero fermiónico, el higgsino, y así sucesivamente. Hay,
pacio de Calabi-Yau de seis dimensiones. La forma de las seis di- pues, en la teoría igual número de fermiones y bosones.
mensiones adicionales se describe mediante ese tipo de objetos Si ahora volvemos al cálculo de las correcciones cuánticas a
matemáticos. la masa del Higgs, deberemos incluir en dicho cálculo la con-
tribución de las nuevas partículas aducidas. Lo interesante es
que un fermión (por ejemplo, un electrón) y su compañero (el
Sin embargo, y a pesar de esa aparente inaccesibilidad, la selectrón) contribuyen con la misma cantidad, aunque con sig-
estructura de las seis dimensiones extra, su forma y geometría, no opuesto, a la masa del Higgs, de manera que hay una cance-
tiene directas implicaciones físicas. Su geometría determina, lación total de las correcciones cuánticas y el problema de las
por ejemplo, el número de generaciones de quarks y leptones. jerarquías de escalas queda resuelto de una forma elegante: el
Vimos que hay tres generaciones de quarks y leptones en la Higgs permanece ligero y puede así dar masa a todas las partí-
naturaleza. La teoría de cuerdas nos da una explicación de por culas elementales.
qué puede existir más de una generación: es una consecuencia Dentro de la teoría de cuerdas, esto quiere decir que debe-
de la estructura de las dimensiones extra. Otras propiedades mos restringirnos a compactificaciones que tengan esta propie-
físicas, como el número y forma de las interacciones fundamen- dad de supersimetría, de tal forma que las vibraciones de masa
tales, así como los valores de las masas de los quarks y leptones, nula de la cuerda deben incluir no solo las partículas del mo-
dependen también de dicha estructura. delo estándar, sino también sus compañeras supersimétricas
Durante los últimos veinte años se han venido investigando (squarks, gluinos, etcétera).
soluciones —geometrías para las dimensiones extra— que sean
coherentes con las características fundamentales del modelo es- s-PartícuLas
tándar. Es lo que se ha dado en llamar fenomenología de la teo- Un punto importante: para que el mecanismo de protección que
ría de cuerdas. Se han ido descubriendo nuevas formas de com- la supersimetría da a la partícula de Higgs sea operativo, es ne-
pactificar las seis dimensiones extra. Con ello se han ido obte- cesario que las nuevas partículas supersimétricas tengan una
wikipeDiA (LUncH, bAsADO en LA DescripciOn De AnDrew HAnsOn)
niendo soluciones de la teoría más y más cercanas a las masa no mucho mayor que la masa del Higgs. Por otra parte, sa-
propiedades del modelo estándar. Se trata de un programa de in- bemos que la partícula de Higgs ha de poseer una masa del or-
vestigación mundial que tiene algún parecido con la exploración den de la que el acelerador LHC es capaz de proporcionar. De
de la geografía de la Tierra durante los siglos xv al xviii. El obje- esa forma, si la supersimetría es una idea correcta, el LHC debe-
to de la exploración es ahora las seis dimensiones adicionales; las rá ser capaz de producir partículas supersimétricas.
naves que permiten la exploración, la consistencia matemática y En el LHC colisionan protones a alta energía y, si existen, los
el acuerdo con la estructura observada del modelo estándar. squarks se producirán a pares. Dichos squarks se desintegrarían
Para hacer contacto con las partículas observadas del mode- cada uno en un quark y un neutralino (una mezcla de fotino y
lo estándar, las diferentes vibraciones de la cuerda correspon- de higgsino) y, aparte de otras partículas no relevantes en el pro-
den a partículas distintas. La mayoría de dichas vibraciones ceso, al final se observarían dos chorros (jets) de partículas pro-
corresponden a partículas con masas muy grandes, del orden venientes de los quarks y la no conservación (solo aparente) de
de Mcuerda. Tales partículas no pueden ser identificadas con los la energía. Esta aparente no conservación se debería a los neu-
quarks y leptones observados, de masas mucho menores. Las tralinos, que interaccionan muy débilmente y no serían vistos,
88 Temas 63 1er Trimestre 2011

6. pues, en los detectores. Este tipo de se- de manera estricta que las partícu-
Supersimetría las supersimétricas (squarks, slep-
ñales experimentales se cuenta entre
las que se buscarán con mayor interés tones, etcétera) deban ser descubier-
en el acelerador LHC. tas en el LHC. La razón es que la
Hay otra interesante consecuencia Quark q ~
q Squark teoría puede también ser consisten-
de la supersimetría. La teoría predi- te en una situación en que estas
ce la existencia de una nueva partícu- partículas porten una masa mucho
la estable en la naturaleza (además mayor, inalcanzables para el LHC.
Fermiones
Bosones
del protón y el electrón), los neutra- Electrón e ~
e Selectrón
Sin embargo, parece indudable que
linos precisamente. Los cálculos esta- la detección de dichas partículas
blecen que podrían darse en el uni- significaría un fuerte espaldarazo
verso en una cantidad comparable Neutrino νe ~
νe Sneutrino para la teoría.
con la de materia oscura necesaria
para explicar los datos astrofísicos y dimensiones extra
cosmológicos. De manera que, si es- ~ y agujeros negros
Gluon g g Gluino
tas ideas son correctas, el LHC será Hay algunas alternativas más exó-
capaz también de producir los com- ticas en lo que se refiere a la posi-
Fermiones
Bosones
ponentes elementales de la materia ~ ble física que se observará en el
Gravitón G G Gravitino
oscura del universo. LHC. Una de ellas es la observación
Los físicos están pendientes de la de la posible existencia de dimen-
respuesta que el LHC va a dar a la pre- ~ siones espaciales extra. Como ya
Fotón γ γ Fotino
gunta de si la supersimetría es real o mencionábamos, en los últimos
no. Por otra parte, la supersimetría diez años se ha descubierto que la
constituye, además, un ingrediente escala de energías de la teoría pue-
fundamental de la teoría de cuerdas. La supersimetría asocia a cada fermión —com- de ser, en principio, muy baja, de
La noción misma de supersimetría se ponente de la materia— del modelo estándar un unos mil o diez mil GeV, del orden
creó dentro de la teoría de cuerdas, en bosón no incluido en el modelo estándar, y a cada de las energías alcanzables en el
1971, por obra de Pierre Ramond, mu- bosón —transmisor de fuerza—, un fermión. El LHC. Si ello se confirma, resultaría
cho antes de que se señalase su posi- LHC podrá quizá descubrir esas partículas super- posible generar réplicas de Kaluza-
ble utilidad para resolver el problema simétricas, hasta ahora solo hipotéticas. Klein del gravitón, señales de la
de las jerarquías de escala y antes tam- existencia de dimensiones adicio-
bién de que se la considerase una candidata a teoría unificada. nales. ¿Cómo podrían observarse en el LHC?
La supersimetría es necesaria para la consistencia matemática Las partículas en cuestión, al interaccionar solo gravitacio-
de la teoría de cuerdas. Si se descubre la supersimetría en el nalmente, no dejarían traza en los detectores; su efecto sería
LHC, significará un importante respaldo para la teoría de cuer- observable de forma indirecta, por una violación aparente de la
das en su calidad de candidata a describir todas las interaccio- conservación de la energía, como pasa con los neutralinos de
nes de la naturaleza. las teorías supersimétricas, aunque de una manera algo dife-
Hay que señalar que la teoría de cuerdas, aunque contiene rente. La detectabilidad depende del tamaño de las seis dimen-
como ingrediente fundamental la supersimetría, no predice siones extra. Además, si la escala de la cuerda fuera de unos
Simulación de las trayectorias y energías de las partículas que el detector CMS observaría en una de las formas en que podría ge-
nerarse la partícula de Higgs en el LHC (abajo a la izquierda). Una de las primeras imágenes tomadas por el Solenoide Compacto de
Muones, en septiembre de 2008, cuando se envió por el acelerador un haz de protones de prueba hacia un blanco (derecha).
cern (abajo, izquierda); cms-cern (abajo, derecha)
InvestigacionyCiencia.es Universo cuántico 89

7. uN gIgANTESco mIcroScopIo
El gran colisionador de partículas LHC
Las herramientas imprescindibles para el estudio de la estructura campos magnéticos creados por imanes superconductores man-
de la materia a distancias subátomicas son los aceleradores de par- tenidos a 1,7 grados kelvin (cerca del cero absoluto de temperatu-
tículas. En los colisionadores, una clase de aceleradores, chocan a ras) para que puedan funcionar. A los haces de protones se les hace
enormes velocidades, cercanas a la de la luz, haces de partículas chocar en cuatro áreas experimentales subterráneas donde hay
elementales que viajan en direcciones opuestas. Se las hace coli- situados detectores de partículas del tamaño de edificios de seis
sionar en determinados puntos, donde se concentra así una enorme plantas. Dichos detectores llevan por nombres ATLAS, CMS
cantidad de energía; alrededor de dichos puntos se construyen (inserto, a la derecha), LHC-b y ALICE; cada uno de ellos ha sido
detectores capaces de descifrar y medir las nuevas partículas crea- construido por centenares de físicos e ingenieros de todo el mundo,
das en los choques. Según la ecuación de Einstein (E = mc2), la ener- organizados en colaboraciones internacionales. Entre los objetivos
gía E puede transformarse en creación de nuevas partículas de fundamentales del LHC se cuenta la búsqueda del bosón de Higgs
masa m; dichas partículas son las estudiadas por los detectores. En y de las partículas supersimétricas.
este tipo de experimentos la energía se mide en GeV (gigae-
lectronvoltio). Un GeV es aproximadamente la energía que
se obtendría en un proceso (ideal) en el que un átomo
de hidrógeno se transformase en energía.
El colisionador LHC (Large Hadron Collider) del
CERN (Ginebra) será capaz de obtener colisio- GINEBR A
nes con unos 14.000 GeV, valor unas diez
veces mayor que la de aceleradores ante- LHC-b CERN
riores. El acelerador se halla instalado ATLAS ALICE
en un túnel circular de alrededor de CMS
27 kilómetros de circunferencia a
unos cien metros de profundidad,
en la frontera entre Francia y Suiza,
cerca de Ginebra. Como indica la ATLAS
figura, otro acelerador más pequeño LHC-b
(llamado SPS) inyecta protones en el ALICE
LHC, que acelera haces de estos en
direcciones contrarias. CMS
Los haces circulan por tubos de LEP/LHC
alto vacío (a la derecha) y la acelera-
ción se obtiene mediante enormes
1000 o 10.000 GeV, podrían producirse en el LHC partículas con demuestra que tal proceso catastrófico no puede suceder. Se
masa correspondientes a vibraciones de más alta frecuencia de puede decir que la naturaleza lleva creando de forma puntual
la cuerda: en cierta manera, se vería de forma directa la estruc- colisionadores como el LHC naturales sin que haya tenido lugar
tura de cuerdas de la materia. ninguna catástrofe.
Con una escala Mcuerda tan baja, otra posibilidad es la creación
de microagujeros negros en las colisiones de los protones del PersPectivas deL LHc
LHC. Hasta se ha llegado a afirmar que tales agujeros negros En resumen: si la escala de la cuerda resulta cercana a las ener-
supondrían una catástrofe para la Tierra. La idea es que, una gías abordables al LHC, se podría comprobar la realidad de la
vez creados, absorberían la materia que los rodease y destruirían teoría de cuerdas de una forma directa. La existencia de dimen-
el planeta. Tales suposiciones carecen de base científica seria. siones extra y de la estructura de cuerdas de la materia se com-
Se ha comprobado que, en el caso de que el LHC fuese capaz probaría si se produjesen réplicas del Kaluza-Klein del gravi-
de producir dichos objetos, se desintegrarían emitiendo fotones tón, partículas con masa correspondientes a vibraciones de las
(la llamada radiación de Hawking), antes de que pudieran tocar cuerdas o ambas cosas.
las paredes de los detectores del LHC. Hay incluso una forma Por otra parte, parece bastante más probable que Mcuerda y la
indirecta de saber que el LHC nunca podrá crear una catástro- escala de las dimensiones extra MKK sean comparables, en cuyo
fe de este tipo. La Tierra está siendo continuamente bombar- caso, las réplicas de Kaluza-Klein y las vibraciones masivas de
deada por partículas y núcleos atómicos muy energéticos, los la cuerda tendrían masas enormes, con valores del orden de mil
llamados rayos cósmicos, provenientes de nuestra galaxia y de billones de veces la energía abordable mediante el LHC. En ese
fuera de ella. Muchos de estos rayos cósmicos poseen energías caso, la teoría solo se podría contrastar de forma indirecta. En-
mucho mayores que las que el LHC será capaz de producir. tonces, para que las partículas de Higgs puedan conferir masa
Llevan bombardeando la Tierra y otros astros visibles desde a las partículas del modelo estándar parece que se requeriría,
hace miles de millones de años. La misma estabilidad de la como ya hemos dicho, la existencia de partículas supersimétri-
cern
Tierra y de otros objetos estelares durante todo este tiempo cas observables en el LHC.
90 Temas 63 1er Trimestre 2011

8. La detección de partículas supersimétricas en el LHC nos íntima de la materia. El origen de la masa de las partículas y
daría importante información acerca de qué estructura concre- el descubrimiento del bosón de Higgs es un importante obje-
ta de la teoría de cuerdas podría describir el modelo estándar. tivo. Sin embargo, todo parece indicar que habrá más sorpresas:
El trabajo ingente de los últimos veinte años, encaminado a la observación de partículas supersimétricas, dimensiones ex-
identificar soluciones de la teoría que den lugar a una estructu- tra..., o algo inesperado que los físicos no hemos podido ima-
ra lo más cercana posible al modelo estándar supersimétrico, ginar. El LHC aportará información de interés sobre la posible
ha producido decenas de soluciones que, aunque no reprodu- estructura de cuerdas de la materia. La supersimetría es un
cen de forma perfecta todos los detalles del modelo estándar, ingrediente fundamental de la teoría de cuerdas. Si en el LHC
están muy cerca de conseguirlo. se descubren partículas supersimétricas, ello significará una
En ciertos tipos de soluciones también es posible calcular re- importante prueba circunstancial en favor de la validez de esta
laciones entre las masas de las partículas supersimétricas. Por ambiciosa teoría.
ejemplo, el cociente entre las masas de los squarks y de los glui- El LHC tomará datos durante varios años. Su análisis lle-
cOrTesÍA DeL AUTOr (tubos de alto vacío); cms-cern (inserto)
nos, o el cociente de las masas de los gluinos y neutralinos. Si vará también bastante tiempo. Todos confiamos en que es-
en el acelerador LHC se producen estos diferentes tipos de par- tos datos abrirán nuevas puertas al conocimiento más ínti-
tículas supersimétricas y los resultados para sus masas están de mo de la materia y esperamos con impaciencia los primeros
acuerdo con alguna de las soluciones de compactificación, se resultados.
podrá obtener información valiosa sobre la estructura de la teo-
ría de cuerdas subyacente y confirmar o descartar muchas for-
mas de compactificación. pA r A s A b e r m Á s
Estamos viviendo en estos momentos una situación muy
¿Es supersimétrica la naturaleza? Howard E. Haber y Gordon L. Kane, en Investigación
especial en la física fundamental. El Gran Colisionador de y Ciencia, agosto de 1986.
Hadrones del CERN, esfuerzo colectivo de la ciencia europea e El Gran Colisionador de Hadrones. Graham P. Collins en Investigación y Ciencia, abril de
internacional, está a punto de revelarnos la estructura más 2008.
InvestigacionyCiencia.es Universo cuántico 91