La arbitraridad del Modelo Estándar de las partículas elementales (o sobre el principio antrópico)

Por Francisco R. Villatoro, el 22 julio, 2008. Categoría(s): Noticias ✎ 3

¿Por qué el “mundo” es como es? ¿Cómo es el mundo? En Física (teórica) el “mundo” es descrito por el llamado Modelo Estándar. Es un Modelo pues requiere observar la Naturaleza para determinar sus parámetros y constituyentes. Es un Modelo porque se puede adaptar a “otras” realidades, a “otros mundos”. Esta arbitrariedad del Modelo Estándar, ¿es el signo de la validez del principio antrópico? Este principio dice, brevemente, que hay infinitos conjuntos de leyes físicas posibles, que se puedan dar, no existe una Única Ley posible, con lo que el conjunto de leyes que “rigen” nuestro mundo es el que es porque nosostros estamos aquí para poder observarlo, porque son las que permiten que en “nuestro” Universo, en este “momento”, existamos nosotros para poderlas determinar.

Recapitulemos algo sobre el Modelo Estándar. Brevemente se enuncia este modelo aludiendo a los grupos de simetría que subyacen al mismo, es decir, SU(3)xSU(2)xU(1), aunque una descripción técnica más precisa es un poco más complicada. SU(3)c corresponde a la cromodinámica cuántica, la teoría de los quarks; SU(2)xU(1) corresponde a la teoría electrodébil que unifica electromagnetismo U(1) y fuerza nuclear débil (responsable de los procesos en los que intervienen neutrinos). NO hay ninguna justificación teórica “conocida” para que la realidad de la particulas elementales sea descrita en el marco de esta selección concreta de grupos de simetría. En teoría es una de las infinitas posibles generalizaciones del electromagnetismo, parte U(1) del modelo, que son compatibles con la actual teoría cuántica de campos (un teoría claramente “efectiva”). De hecho, es la generalización de la electrodinámica cuántica que han “seleccionado” los resultados experimentales (o los físicos experimentales, mejor dicho). Sin ellos, hubiera sido imposible elegir este modelo concreto (sólo utilizando consideraciones de carácter teórico, al estilo de los problemas gendanken de Einstein).

Pero el modelo SU(3)xSU(2)xU(1) sólo nos dice qué partículas transmisoras de las fuerzas fundamentales (bosones vectoriales de espín 1) existen (el fotón, los bosones W y Z, y los gluones). Nada afirma respecto a las partículas materiales que “sufren” estas interacciones. Hay que especificar su espín y sus cargas (eléctrica, de color, etc.), es decir, las representaciones “físicas” del modelo SU(3)xSU(2)xU(1) (las representaciones de un grupo de simetría son un concepto matemático, pero las representaciones compatibles con la relatividad especial de Einstein, con el llamado grupo de Poincaré, son la parte física de las representaciones de los matemáticos).  Desde este punto de vista “teórico” (matemático, diría el físico teórico) hay infinitas posibles elecciones para estas representaciones, aunque la observada experimentalmente es la siguiente

donde se representna los acoplamientos de la materia a los grupos SU(3), SU(2) y U(1), y donde la L y la R indican helicidad izquierda y derecha, respectivamente. Por supuesto, no pretendo explicar con detalle esta expresión matemática aquí (los interesados en una “intepretación” divulgativa pueden consultar la wiki). Lo único importante en nuestro discurso es que muchas otras posibilidades son posibles “teóricamente” (si se cumplen ciertas condiciones de consistencia, como la invarianza relativista, en las que no entraré en detalle, los 2 primeros volúmenes de “The Quantum Theory of Fields” de Steven Weinberg, uno de los “creadores” de la parte SU(2)xU(1) del Modelo Estándar, es “precioso” ent este sentido, aunque reservado para físicos “aficionados”). Sin embargo, entre todas esas posibilidades esta concreta es la “seleccionada” por la Naturaleza, la que observamos en los experimentos. Nada en el Modelo Estándar nos “obliga” a realizar esta elección. Además, existen tres generaciones de partículas elementales con exactamente esta misma estructura. Todas estas generaciones consisten en 2 quarks, un tipo de electrón y un neutrino de dicho tipo.

De hecho, al Modelo Estándar le podemos añadir muchas “cosas” manteniendo su validez. Por ejemplo, tantos campos escalares (de espín 0) como queramos con cualesquiera combinación de cargas posibles (siempre y cuando tengan un masa en reposo suficientemente alta) sin alterar los resultados experimentales obtenidos hasta el presente. Por ejemplo, la famosa partícula de Higgs, que como aún no ha sido observada aún, aunque sí predicha por consistencia y simplicidad, no pertence al Modelo Estándar, aún. La importancia del bosón de Higgs (la ruptura de simetría que implica su existencia) en el Modelo Estándar está muy bien explicada en la conferencia de recepción del Nobel de Veltman (aunque el video está en inglés, obviamente). Por supuesto, si vais a escuchar a Veltman, también tenéis que escuchar a ‘t Hooft (siempre que le he enviado un correo electrónico me ha contestado, un premio Nobel, y yo no soy nadie, le tengo mucho “cariño” en este sentido, además de por sus grandes contribuciones a la física que tanto amo), es el “joven” que hizo el trabajo que Veltman le encargó y que a ambos les dió el Nobel en 1999 (video).

Hay muchos más parámetros en el Modelo Estándar que son libres, es decir, cuyo valor hay que medirlo experimentalmente y no es posible predecirlo teóricamente, como las constantes de acoplamiento, o las masas de las partículas. Concretamente, las 3 constantes de acoplamiento entre gluones. Las 12 masas de los 6 quarks, de los 3 electrones y de los 3 neutrinos. Los ángulos de interacción (mezcla) por interacción débil entre los quarks y los de os neutrinos (en el Modelo Estándar estas partículas son estados “observables” obtenidos por combinación de lineal de estados “puros no observables”, siendo la combinación observada experimentalmente una de las infinitas posibles desde el punto de vista teórico). El parámetro de violación de la simetría CP en la interacción fuerte. La masa del bosón de Higgs y su parámetro de autointeracción. Y muchos más parámetros libres. Depende de quién los cuente son 23 o al menos más de 20. Y no hemos mencionado la “posible” gravedad cuántica, la posible supersimetría, etc. ¡Camarero! ¡Sírvame un parámetro más, por favor!

En resumen, hoy creemos que el mundo es como es porque así es. No tenemos explicación teórica para ello. Y las ideas de la teoría de cuerdas parece que no pueden aportar nada para mejorar esto (el llamado problema del landscape). Si os interesa este tema, el artículo de A.N. Schellekens, “The Emperor’s Last Clothes?,” ArXiv preprint, 21 July 2008 , os será de lectura recomendada (la figura y algunos comentarios están extraídos de él).



3 Comentarios

  1. Hoy el fisico Incandela ha anunciadoel hallazgo del “Boson de Higgs” con una certeza de casi 5 sigmas.No obstante dice y solicita paciencia ya que dicho hallazgo no es definitivo.Mi pensamiento indudablemente la nada no produce nada,perola enrgia puede contraerse a una dimension inconmensurable imposible de detectarsey ella podria ser el origen no material de la materis.
    Muy interesante su articulono soy fisico ,pero me apasiona.Cordial saludo.

  2. El bosón de Higss. Para los comentaristas interesados en el conocimiento de una ciencia honesta.
    El problema de la masa de los cuerpos está sin resolver desde hace 300 años, cuando Newton predijo su existencia. Además, las tres leyes del movimiento de Newton se limitan a describir los procesos tal y como se perciben, pero no explican las causas que los originan.
    En la primera ley, Newton no explicó la causa por la cual, en ausencia de fuerzas exteriores, los cuerpos se desplazan con velocidad uniforme. La energía cinética constante es la causa del movimiento uniforme, pues los cuerpos en reposo no tienen energía cinética.
    Richard P. Feynman reconoció que; «debido a que las propiedades específicas independientes que tiene la fuerza no fueron descritas por Newton o por persona alguna, la segunda ley de Newton es una ley incompleta.
    Según la tercera ley de Newton, cuando se ejerce una fuerza sobre un cuerpo, se cambia su estado de movimiento, y presenta una fuerza de oposición o reacción, que la física clásica atribuye a una misteriosa propiedad de los cuerpos que denomina inercia cuya causa es invisible. Sin embargo, Newton no explicó la causa de la aparición espontánea y misteriosa de las fuerzas de reacción opuestas, producidas cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro cuerpo. Esta fuerza de reacción se manifiesta de varias formas. Por ejemplo, cuando un cuerpo móvil choca contra otro en reposo, absolutamente rígido, Newton estableció que la fuerza de reacción era ejercida por el propio cuerpo en reposo. Se puede aceptar que el cuerpo móvil que choca tiene energía cinética que ejerce una fuerza sobre el cuerpo que está en reposo, pero la fuerza de reacción opuesta no puede ser ejercida por el propio cuerpo rígido en reposo, ya que los cuerpos rígidos son inertes e incapaces de ejercer fuerzas opuestas por si mismos, pueslos cuerpos rígidos no tiene la virtud de extraer de su interior una fuerza que se opone a la acción exterior, pues cuando se ejerce una fuerza se aporta energía, pero el cuerpo rígido en reposo no puede aportar energía.
    Sin embargo, no existen cuerpos absolutamente rígidos, pues todos los cuerpos son elásticos o deformables en mayor o menor grado. La deformación de un cuerpo elástico o deformable, en reposo o en movimiento, tiene que ser producida por dos fuerzas exteriores opuestas, ejercidas a los lados del cuerpo.
    Existen procesos con los cuerpos deformables o elásticos en los que se aprecia claramente que la fuerza de oposición no es ejercida por el propio cuerpo elástico, sino que es ejercida desde el exterior, sobre el cuerpo elástico, por un agente invisible.
    Se sabe que el rostro de los astronautas, acelerados por el cohete espacial en el despegue, se desplaza hacia atrás por efecto de la fuerza exterior de un agente invisible sobre el rostro del astronauta, que se opone a la fuerza que ejerce el cohete sobre el astronauta.
    El cuerpo de un viajero se comprime contra el respaldo del asiento de un automóvil que está acelerando, por efecto de dos fuerzas opuestas: la fuerza del motor y la fuerza de dicho agente de oposición invisible. Un cuerpo elástico se alarga al hacerlo girar (el giro implica cambio de dirección de la velocidad o aceleración centrípeta) debido al efecto de dos fuerzas iguales y opuestas: la fuerza centrípeta y a la fuerza de oposición invisible. Esta fuerza invisible se denomina fuerza centrífuga que algunos autores consideran, erróneamente, una fuerza ficticia. Una fuerza como la centrífuga, que contribuye a la deformación del cuerpo elástico, no puede ser ficticia.
    En el choque de un cuerpo móvil contra otro cuerpo, elástico o deformable, en reposo, el cuerpo en reposo se deforma, pero el agente que ejerce la fuerza exterior opuesta es invisible.
    Sabemos que al comprimir o alargar un cuerpo elástico mediante dos fuerzas externas iguales y opuestas, el cuerpo se deforma, y las moléculas internas ejercen en los dos sentidos, fuerzas elásticas que se oponen a las dos fuerzas externas opuestas. Sin embargo, al ejercer una única fuerza externa, el cuerpo elástico se acelera y se deforma, de tal modo que una de las dos fuerzas elásticas se opone a la fuerza externa, pero la otra fuerza elástica tiene que oponerse a una fuerza exterior, que es invisible y opuesta a la fuerza exterior; es decir, en el espacio exterior, en el lado opuesto del cuerpo en donde se aplica la fuerza externa, tiene que existir un agente invisivble que ejerza una fuerza de oposición o de reacción, pero, entonces las partículas se aceleran a pesar de estar sometidas a dos fuerzas iguales y opuestas, contradicción que las leyes de Newton no resuelven, por lo cual, esas leyes no solo son meramente empíricas sino también incompletas.
    Dado que la energía es la causa de la fuerza, el agente invisible exterior tiene que ser energía, es decir, el espacio exterior no está vacío sino lleno de energía invisible o energía oscura, que se comprime al iniciar el desplazamiento ejerciendo una fuerza de oposición, la cual, según la “Teoría Cuántica de la Energía Oscura” es la masa de las partículas. Cuando la energía del espacio comprimida alcanza una densidad lineal igual y opuesta a la fuerza externa, quie coincide con la fuerza de oposición o de reacción, la partícula se detiene, pero la energía contigua está sin comprimir, por lo que se repite el desplazamiento discreto en la energía del espacio, propagándose una onda que denomino “onda de desplazamiento”. Por consiguiente, la partícula, a pesar de estar sometida a dos fuerzas iguales y opuestas, realiza desplazamientos discretos y se acelera. Esta es la base de la “Teoría Cuántica del Movimiento” que explica la aparente contradicción en la que las partículas se aceleran a pesar de estar sometidas a dos fuerzas iguales y opuestas,
    Este proceso tiene un cierto parecido con el bosón de Higgs, tal y como explica Alberto Casas, científico español, investigador del CSIC, que ha trabajado en el CERN (Centro Europeo de Física de Partículas de Ginebra), en el programa “La noche en 24 horas”, del canal de televisión“24H” del 30/03/2010 cuya transcripción es la siguiente:

    Pregunta del periodista Vicente Vallés: ¿En qué consiste la partícula de Higgs?

    Respuesta de Alberto Casas: “La partícula de Higgs es realmente la última pieza que queda por descubrir del modelo standard, pero es una partícula muy importante, pues dentro del modelo estándar hay una teoría para explicar cómo las particulas adquieren masa. Si esa teoría es correcta, debería existir esta partícula, el bosón de Higgs. ¿Qué es el bosón de Higgs?. La manera en que las partículas adquieren masa dentro del modelo standard, es más o menos la siguiente. Existe una conjetura de que existe un campo que lo llena todo absolutamente, incluso el vacío, como si fuera un líquido viscoso que lo llenara todo, de tal manera que las partículas al desplazarse en el vacío, realmente friccionan con ese líquido que sería el campo de Higgs, y esa fricción dificulta su movimiento y hace el efecto como si fuera una masa. Así es como entendemos como las partículas adquieren masa. Ahora nos podemos imaginar que en esa especie de líquido generamos ondas. Hacemos una perturbación y se generan ondas. Esas ondas serian precisamente el bosón de Higgs. Una de los objetivos esenciales del LHC es, con estas energías tan grandes, agitar el vacío de alguna manera, como sacarlo de su sitio, por decirlo así, producir esas ondas y observar el bosón de Higgs, Así que de alguna manera si se encuentra no es una partícula más, es una partícula que filosoficamente tiene implicaciones.”

    Sin embargo, la teoría del bosón de Higgs no explica la contradicción del hecho de que las partículas se aceleran a pesar de estar sometidas a dos fuerzas iguales y opuestas.

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