Anécdotas de John H. Schwarz y de la teoría de supercuerdas

El primer libro escrito en TeX que publicó la editorial Cambridge University Press fue «Superstring theory» de Michael B. Green, John H. Schwarz y Edward Witten. Dos volúmenes repletos de fórmulas matemáticas, con más de mil páginas, escritos por Michael desde Londres, Edward desde Princeton y John desde Pasadena (California). Cada capítulo era un fichero TeX separado. Cada autor tenía que escribir un tercio de cada capítulo que luego revisaban los otros dos autores. Una tarea casi imposible, en palabras de John, sin TeX y sin la red ARPAnet (todavía no existía la internet actual). Los grupos de físicos de partículas experimentales utilizaban la red ARPAnet para intercambiar datos. Les permitieron usar la red para su libro (ya eran físicos famosos desde 1984). John usaba un ordenador IBM PC de 1985 que tardaba 5 minutos en compilar cada capítulo para poder imprimirlo en papel y revisarlo. John confiesa que no sabía compilar páginas sueltas y tenía que imprimir cada capítulo entero. Una labor que mereció la pena. «Superstring theory» fue el libro de cabecera de todos los que queríamos aprender teoría de cuerdas. El libro de texto (monografía) por excelencia para estudiar teoría de cuerdas (a nivel de curso de doctorado) hasta que aparecieron los dos volúmenes de «String Theory» de Joseph Polchinski. Más digeribles y con resultados más actualizados son ahora el punto de partida obligado. Si te interesa la historia de la teoría de cuerdas desde el punto de vista de John te recomiendo la entrevista de Sara Lippincott, «Interview with John H. Schwarz,» Oral History Project, California Institute of Technology Archives, Pasadena, California, 2002. Por cierto, las otras oral histories también merecen la pena (al menos a quienes disfrutamos de la historia de la ciencia).

John H. Schwarz obtuvo su plaza de catedrático (full professor) en 1984, muy tarde para alguien que obtuvo tu doctorado en 1966 y está considerado uno de los físicos más influyentes de los últimos 40 años. Su tesis doctoral la dirigió Geoffrey Chew, uno de los físicos más famosos de la década de los 1960, pero que hoy ha caído casi en el olvido (¿eres físico? ¿sabes quién es Chew?). Los primeros cursos como profesor de John fueron sobre teoría de cuerdas, por ello en el verano de 1985, le propuso a Michael B. Green escribir un libro sobre teoría de cuerdas. Michael le dijo que tenían que contar con Ed(ward) Witten, quien aceptó sin pensarlo. La revolución de la teoría de cuerdas de 1984 era tan reciente que uno se embarca en este tipo de propuestas «en caliente» sin pensarlo.

No sé el porqué pero en las entrevistas de mujeres (periodistas científicos) a hombres (científicos) suelen poner cierto énfasis en cómo conocieron a su mujer (esposa) y en ciertos detalles de «prensa rosa» que supongo serán del gusto de muchos. John conoció a su mujer actual en las navidades de 1984. Fue invitado por Steven Weinberg a impartir un curso en una «escuela de verano» en Navidad en la Universidad Hebrea de Jerusalén. El título de curso era “Physics in Higher Dimensions.” Patricia era una estudiante de física en la Universidad Estatal de San Francisco que le comentó a su profesor tutor (Gerry Fisher) que dicho curso parecía interesante. El tutor solicitó una beca para que ella asistiera sin decirle nada y se la concedieron. Ella se sorprendió al saberlo, no estaba preparada para un curso tan técnico, pero decidió asistir (ir a Jerusalén debe ser muy atractivo para cualquier norteamericano de la costa oeste). Patricia se interesó mucho por el tema de la teoría de cuerdas y por supuesto por John. Se casaron en julio de 1986. Para Sara Lippincott es sorprendente que en un año y medio un catedrático de renombre como John Schwarz se casara con una jovencita estudiante de física (un par de décadas menor).

Patricia Schwarz decidió desarrollar su tesis doctoral en el CalTech, donde era catedrático su marido, bajo la dirección de John Preskill, prestigioso físico de partículas. Pero hubo un malentendido entre los dos John. Schwarz quería que le dirigiera la tesis a Patricia el propio Preskill. Pero Preskill pensaba que su papel era simbólico y que en realidad quien le dirigiría la tesis doctoral sería su propio marido. El resultado fueron varios años sin director de tesis. Y sin director de tesis, tampoco hay tema de tesis, ni tesis. Al final, le dirigió la tesis doctoral a Patricia Schwarz una amiga de la familia, Renata Kallosh, profesora en Stanford y esposa de Andrei Linde. Para que la tesis doctoral fuera en el CalTech firmó los artículos y la tesis Steve Frautschi. Ser «mujer de» a veces genera malentendidos y problemas de este tipo.

La lectura del Oral History Project me ha descubierto algo muy curioso para mí que yo no sabía (o no recordaba). En el intríngulis con su tesis doctoral, Patricia decidió aprender a desarrollar páginas web y creó el portal sobre teoría de cuerdas superstringtheory.com (The Official String Theory Web Site). Yo conocía este portal desde por lo menos 1999 y nunca se me ocurrió leer el «About the author.» Allí dice claramente que su marido es John Schwarz. Yo nunca lo hubiera imaginado. Un portal web que me gustaba con información muy interesante sobre teoría de cuerdas y unos foros a los que yo me conectaba de vez en cuando. No sé, nunca se me ocurrió que la mujer de Schwarz fuera la responsable. Para mí ha sido toda una sorpresa.

John Schwarz nos cuenta que desarrolló su tesis doctoral con Geoffrey Chew especialista en la teoría de la matriz S (de scattering) que era la competencia más fuerte de la teoría cuántica de campos para explicar la fuerza fuerte. En los 1960 ambas teorías eran igual de importantes, aunque en los 1970 ganó la contienda la segunda y la primera casi pasó al olvido. Uno de los puntos clave de la teoría de la matriz S era la teoría de polos de Regge. Gabriele Veneziano obtuvo alrededor de 1968 una fórmula casi mágica para explicar los polos de Regge usando ideas de la toería de la matriz S. En 1969 se descubrió que la fórmula de Veneziano se podía deducir si se suponía que los hadrones (partículas elementales que sufren la fuerza fuerte) eran cuerdas que vibraban. Fue entonces cuando John empezó a interesarse por estas ideas. Pero la teoría solo funcionaba en 26 dimensiones (25 espaciales y 1 temporal, o 25+1). En aquella época John colaboró con dos franceses André Neveu y Joël Scherk, que aunque ya eran doctores en Francia, le fueron asignados como estudiantes «predoctorales» bajo su cargo en Princeton pues no estaba muy clara la equivalencia entre un doctorado francés y uno norteamericano. Pronto John descubrió que aparte de doctores estos franceses también eran geniales. La teoría de cuerdas original (que se llamaba «modelo dual de los piones» o «modelo dual» a secas) solo era aplicable a partículas de espín entero (bosones). Entre 1970 y 1971 se extendió la teoría para aplicarla también a fermiones (aunque la teoría necesitaba 10 dimensiones o 9+1). Schwarz, Scherk, Neveu y Pierre Ramond lo lograron gracias a la introducción de lo que ahora llamamos supersimetría. Una idea que nació en 1971 en el contexto de la teoría de cuerdas (o de los «modelos duales» como se decía entonces), en dos dimensiones (supersimetría 1+1) y que solo más tarde se aplicó en un contexto 4D (3+1), por Julius Wess y Bruno Zumino en 1973.

John era assistant professor en Princeton, un puesto no permanente, y opositó a un puesto permanente (tenure) que no pudo lograr a principios de 1972. Gracias a Murray Gell-Mann, que ayudó a John en varias ocasiones durante su carrera académica, logró una plaza de research associate en el CalTech. No tenía que dar clases, solo investigar, pero cobrando un sueldo equivalente al de un profesor. Libertad absoluta con un mínimo de cargas. Podía hacer lo que quisiera siempre y cuando lo hiciera bien. Gracias a Gell-Mann, también en el CalTech pudo recibir dinero para invitar a muchos investigadores con los que colaborar (como Scherk). En 1974, junto a este último, se dieron cuenta de que la teoría de cuerdas no podía competir con la QCD para explicar la fuerza fuerte, pero podía ser una teoría cuántica de la gravedad. Un problema de la teoría de cuerdas (descubierto muchos años antes), la predicción de una partícula de espín 2 y otra de espín 3/2, en realidad no era un problema, era una virtud (si la partícula de espín 2 era el gravitón y la de 3/2 el gravitino, su supercompañera). La teoría de cuerdas predecía la gravedad de Einstein (aunque en 10D). En 1975, Schwarz conjeturó en un artículo en un congreso que la teoría de cuerdas era una teoría cuántica de la gravedad sin infinitos. Un japonés, Tamiaki Yoneya también lo conjeturó. Nadie les hizo ni caso. Ni los físicos que trabajaban en la teoría (clásica) de la gravedad, ni los físicos que trabajaban en la teoría (cuántica) de partículas.

La matemática de la teoría de cuerdas como teoría de los hadrones y como teoría cuántica de la gravedad es la misma, la única diferencia es el tamaño de las cuerdas. En la primera la cuerdas tienen un tamaño de 10^-13 cm. y en la segunda de 10^-32 cm., 19 órdenes de magnitud más pequeñas. Hasta 1980, Schwarz y Scherk publicaron varios artículos sobre este asunto. Joël Scherk murió trágicamente en 1980 (era diabético y entró en coma, algunos piensan que pudo suicidarse). Entre 1980 y 1984, Schwarz colaboró y publicó sobre teoría de cuerdas mano a mano con Michael Green. Los dos lograron demostrar como se podían eliminar ciertas anomalías de la teoría de cuerdas. Una anomalía aparece cuando cierta simetría de la versión clásica de la teoría desaparece en la versión cuántica. Lo normal es que evitar las anomalías de la teoría requiera ajustar o limitar los parámetros de la teoría clásica. Green y Schwarz habían demostrado que la teoría de cuerdas tipo IIA estaba libre de anomalías, pero esta teoría no es quiral, aunque el modelo estándar de partículas elementales sí lo es, por lo que no podía ser la teoría correcta. En 1984 Edward Witten y el físico español Luis Alvárez-Gaumé demostraron que las anomalías en la teoría de cuerdas tipo IIB no aparecían solo en las simetrías tipo Yang-Mills, sino que también en la parte de la teoría correspondiente a la gravedad. Más aún, su artículo demostró cómo se podían evitar todas las anomalías en la teoría de cuerdas IIB compensando anomalías de un tipo y del otro. Más tarde, Green y Schwarz demostraron cómo aplicar el mismo procedimiento para eliminar las simetrías en la tercera teoría de cuerdas conocida entonces, la tipo I. Había que elegir un grupo de Lie con una dimensión de 496, el único posible era SO(32). Más tarde se dieron cuenta de que había otro más, ya que E8 tiene dimensión 248, por lo que el producto E8 x E8 también tiene dimensión 496.

La solución del problema de las anomalías en la teoría de cuerdas tipo I era la bomba y ellos lo sabían. John estaba de visita en un seminario en el Centro de Física Teórica de Aspen, Colorado. En dicho seminario era costumbre que los físicos bromearan saliendo a un escenario y haciendo el payaso por un rato (le llamaban el cabaret de Aspen). A mitad de los 1970, en una ocasión Murray Gell-Mann hizo de un personaje curioso que se levantaba del asiento y recorría la sala gritando «se me acaba de ocurrir la teoría de todo» («I figured out the theory of everything«) hasta llegar al escenario. En 1984, no estaba Gell-Mann, pero le pidieron a Schwarz que hiciera dicho personaje. Medio empujado, con ganas pero sin ganas, acabó en el escenario y dijo «se me ocurrió una teoría para todo, utilizando la teoría de cuerdas con un grupo gauge SO(32), las anomalías se cancelan, la teoría es coherente y tengo una teoría cuántica de la gravedad finita que explica todas fuerzas» («I figured out how to do everything. Based on string theory with a gauge group SO(32), the anomalies cancel! It’s all consistent! It’s a finite quantum theory of gravity! It explains all the forces!«). Pocos días más tarde, John recibió una llamada de Edward Witten, quien había oído hablar del episodio en Aspen y estaba interesado en los detalles. Michael y John le enviaron copia del preprint de su artículo antes incluso de tenerlo acabado. Unos días más tarde, todos los físicos teóricos de la Universidad de Princeton y del Instituto de Estudio Avanzado (IAS) estaban trabajando en los detalles de su teoría.

El cuarteto de cuerda de la Universidad de Princeton, David Gross, Jeff Harvey, Emil Martinec y Ryan Rohm, desarrollaron un nuevo tipo de teoría de cuerdas, las cuerdas heteróticas, que mezclaban propiedades de las cuerdas bosónicas (en 26 dimensiones) con las fermiónicas (en 10 dimensiones) resultando dos nuevas teorías de cuerdas en 10 dimensiones, una basada en el grupo SO(32) y otra en el producto E8 x E8 (esta última la más prometedora). La primera revolución de la teoría de cuerdas apareció en todos los medios, John Schwarz se hizo famoso y junto a él Edward Witten y muchos otros. La teoría de cuerdas se convirtió de pronto en la teoría más cercana a la «teoría de todo» soñada por Einstein, una teoría que unificaba todas las fuerzas de la Naturaleza basada en un único parámetro, la tensión de la cuerdas. El resto de los parámetros que rigen el universo obtenían sus valores de forma dinámica (como soluciones concretas de las ecuaciones), por la propia evolución del universo. John Schwarz decidió que quería ser catedrático ya que ser solo investigador era como ser de «segunda clase» en el CalTech. A finales de 1984, obtuvo su plaza como catedrático y el primer curso que impartió fue de teoría de cuerdas.

Tres grandes charlas de Juan Maldacena sobre la dualidad gauge/gravedad que no te puedes perder si te interesa el tema

El argentino Juan Maldacena es el padre científico de la conjetura sobre la dualidad AdS/CFT, entre una teoría cuántica de la gravedad en un espaciotiempo y una teoría cuántica de campos en el contorno (borde) de dicho espaciotiempo. Juan prefiere llamarle dualidad QFT/QG, donde QFT significa teoría cuántica de campos y QG gravedad cuántica. En el programa intensivo de verano llamado «Prospects in Theoretical Physics (PiTP) 2010,» del Institute for Advanced Study (IAS) de Princeton, EE.UU., han organizado un programa sobre «Aspects in Supersymmetry,» entre los días 19 y 30 de julio de 2010. Incluye varias charlas interesantes, pero creo que destacan sobre las demás las tres grandes charlas de Juan Maldacena (cada una dura más o menos una hora y media). Si tenéis unas cuatro horas y pico para aprovechar disfrutando de los conceptos básicos de la dualidad gauge/gravedad, merece la pena disfrutarlas en vídeo: «AdS/CFT Correspondence» Parte 1, Parte 2 y Parte 3. El programa de verano incluye dos charlas de Edward Witten sobre la teoría de Seiberg-Witten, Parte 1 y Parte 2, que me han gustado menos que la de Juan. También hay otras charlas, entre las que yo destacaría las dos de Nathan Seiberg sobre dinámica gauge supersimétrica, Parte 1 y Parte 2.

La teoría de cuerdas evoluciona de una «teoría de todo» a una «teoría de algo»

Todos los intentos de establecer la teoría de cuerdas como una «teoría de todo» (TOE) convergen hacia un resultado sorprendente: la teoría de cuerdas es una «teoría de algo» y ese «algo» es una teoría de Yang-Mills en 4 dimensiones (4D). Las teorías gauge de Yang-Mills, sin ninguna traza visible de gravedad, ocultan en lo más profundo de su ser una teoría cuántica de la gravedad, como nos ha desvelado la teoría de cuerdas (o teoría M). Los diagramas de Feynman para una teoría de Yang-Mills en 4D pueden ser sumados a todos los órdenes y continuados analíticamente en el régimen de acoplamiento fuerte gracias a su dualidad con una teoría de la gravedad. Todo ello gracias a las herramientas que se han desarrollado en teoría de cuerdas para tratar de demostrar la conjetura del argentino Juan Maldacena sobre la dualidad AdS/CFT. Esta conjetura no ha sido demostrada aún, sin embargo, para una teoría CFT en un espaciotiempo plano, una teoría Yang-Mills en 4D, pocos dudan sobre su validez. Todavía queda algún tiempo para que la teoría de cuerdas sea materia obligatoria para todos los físicos teóricos como herramienta de cálculo en las teorías de Yang-Mills en 4D del modelo estándar. Pero, tiempo al tiempo. Esta opinión no es solo mía, mi mejor resumen breve de la Conferencia sobre Integrabilidad en Teorías Gauge y de Cuerdas, 28 Junio-02 Julio, Estocolmo, 2010, sino que también parece ser la opinión de algunos de los expertos en sus charlas, por ejemplo, Matthias Staudacher (Universidad Humboldt, Berlín), «Q-Operator Demystified,» IGST 2010, Estocolmo, 28 Junio 2010.

Los físicos teóricos que siguen interesados en las aplicaciones de la teoría de cuerdas como «teoría de todo» y como teoría realista de la gravedad cuántica a la escala de Planck, se encuentran aún con grandes dificultades. La conjetura AdS/CFT para una CFT en un espaciotiempo curvo, se sigue escurriendo como agua entre los dedos de las manos de los físicos. Quizás requiera herramientas matemáticas que aún no se han desarrollado. La teoría de cuerdas, como la «teoría de todo» estrella de la física teórica, sigue tan alejada de nosotros, hoy, como lo estaba hace 30 años. La estrella de las TOE sigue siendo, como decía Ed Witten, una teoría del s. XXI caída del cielo ante los ojos de los físicos teóricos de finales del s. XX. Todo indica que serán necesarias muchas décadas hasta que podamos entender qué es la teoría de cuerdas (o teoría M) en este contexto, que es lo que tenemos en nuestras manos. 

BTW no soy experto en teoría de cuerdas y mis opiniones son solo eso, opiniones de alguien que no es experto. Para los que todavía no tengan muy claro qué es la teoría de cuerdas y se atrevan a aguantar un par de horas con una conferencia sobre este tema, les recomiendo las dos charlas de Sera Cremonini, física teórica que entonces estaba en la Universidad de Michigan y que ahora es postdoc en la Universidad de Cambridge, Gran Bretaña. Son conferencias de sábado por la mañana organizadas por el Departamento de Física de la Universidad de Michigan. Todas las charlas aquí (solo unas pocas tienen vídeo).

Avances en la conjetura de Maldacena sobre la correspondencia AdS/CFT

La correspondencia AdS/CFT es el tema estrella en teoría de cuerdas y muchos foros en internet se hacen eco de los progresos este campo. Yo no soy experto en estas lides y los detalles técnicos se me escapan. Según la conjetura del argentino Maldacena ciertas teorías de la gravedad (la parte AdS) son equivalentes a ciertas teorías cuánticas de campos (la parte CFT). La correspondencia AdS/CFT no es un hecho (ni matemático, ni físico), es una conjetura (que era plausible en 2000 y ahora es muy plausible en 2010, pero conjetura al fin y al cabo). Los avances recientes más importantes se están obteniendo cuando la parte CFT es supersimétrica (teorías super-Yang-Mills o SYM) y la parte AdS se estudia mediantes técnicas de twistores (introducidas por Roger Penrose en los 1970). Uno de los artículos más citados en la última década en teoría de cuerdas es David Berenstein, Juan Maldacena, Horatiu Nastase (BMN), «Strings in flat space and pp waves from N=4 Super Yang Mills,» JHEP 0204: 013, 2002 [gratis en ArXiv]. Este trabajo (BMN) junto con el uso de los twistores en teoría de cuerdas, iniciado, como no, por Ed Witten, en 2003, condujo a un resultado que se puede considerar revolucionario (una «minirrevolución») por parte de Ruth Britto, Freddy Cachazo, Bo Feng, Edward Witten (BCFW), «Direct Proof of Tree-Level Recursion Relation in Yang-Mills Theory,» Phys. Rev. Lett. 94: 181602, 2005 [gratis en ArXiv]. Las técnicas BCFW permiten una enorme reducción en los cálculos para evaluar cientos (o miles) de diagramas de Feynman en una teoría de Yang-Mills (YM) gracias al uso de técnicas de teoría de cuerdas aplicadas a la versión supersimétrica de dicha teoría (SYM). Los avances de la última década han demostrado la conexión íntima que hay entre las teorías YM y las teorías de SYM y le han mostrado a los físicos teóricos que repudiaban de la teoría de cuerdas que las herramientas que en ella se han desarrollado son muy útiles para realizar ciertos cálculos en cromodinámica cuántica (QCD) dentro del Modelo Estándar.

La teoría de cuerdas o mejor dicho las tecnologías matemáticas de la teoría de cuerdas se han buscado un hueco en el bolsillo de todos los físicos teóricos. En este sentido relucen dos artículos recientes que nos ha destacado Lubos Motl en «On-shell N=4 SYM: recursively solved to all orders à la BCFW,» The Reference Frame, August 19, 2010, en concreto Nima Arkani-Hamed, Jacob L. Bourjaily, Freddy Cachazo, Simon Caron-Huot, Jaroslav Trnka, «The All-Loop Integrand For Scattering Amplitudes in Planar N=4 SYM,» ArXiv, 17 Aug 2010 [46 pp], y Rutger H. Boels, «On BCFW shifts of integrands and integrals,» ArXiv, 18 Aug 2010 [42 pp]. Son dos artículos demasiado técnicos para mí y lo que nos cuenta Lubos aclara poco sobre su contenido. Aún así, todo indica que las técnicas BCFW presentadas en dichos artículos permiten calcular un número infinito de diagramas de Feynman en una sola sentada, aunque eso sí en una de las teorías cuánticas de campos más sencillas y maravillosas que se conocen la teoría N=4 SYM (la teoría de Yang-Mills con 4 supersimetrías máximas). La teoría N=4 SYM es finita a todos los órdenes de la teoría de perturbaciones (en el límite ultravioleta) como es bien conocido desde 1983. Además, es el prototipo de una teoría de campos conformes (CFT) y el ejemplo más usado en todos los trabajos sobre la correspondencia AdS/CFT. Saber que la teoría es finita a todos lo órdenes no significa que se sepan o puedan calcular todos los diagramas de Feynman a todos los órdenes. Estos dos nuevos artículos indican que aplicando técnicas tipo BCFW es posible hacer dicho cálculo (aunque solo en el caso on-shell, quedando el caso off-shell todavía sin resolver).

En resumen, no soy la persona más indicada para contaros de qué van estos artículos. Aún así, me quería hacer eco de los mismos. Todo un gran avance en relación a la conjetura AdS/CFT, sobre todo ahora que está empezando a usarse la teoría N=4 SYM fuera de su contexto inicial (física de iones pesados, turbulencia en hidrodinámica, superconductividad de alta temperatura, etc.).

Por cierto, hablando de finitud y supersimetría, seguro que alguno se pregunta cómo quedó el asunto de «la supergravedad N=8, una nueva revolución en la física teórica» que contamos el 17 de agosto de 2009. Os refresco la memoria. La supergravedad N=1 era la esperanza de muchos físicos teóricos en 4D. Nadie daba un euro por la N=8. Sin embargo, en 2008 se descubrió que la supergravedad N=8 en 4D es finita hasta tercer orden de perturbaciones y en 2009 que también lo era hasta cuarto orden. Nadie apostaba por ello. Había hasta teoremas matemáticos que afirmaban que era imposible, las divergencias en supergravedad eran un “caballo salvaje” imposible de domar. Uno de los protagonistas del descubrimiento, Lance J. Dixon, nos resume el estado actual de la cuestión en «Ultraviolet Behavior of N=8 Supergravity,» ArXiv, 15 May 2010. La situación ahora es similar a la de hace un año (N=8 SUGRA es finita hasta cuarto orden). La novedad es que el comportamiento de los términos a cuarto orden se sabe ahora que es muy similar a (y no es peor que) los de la teoría N=4 SYM (que como hemos dicho es una teoría finita). Por ello, la conjetura de Dixon y sus colaboradores sobre la finitud a todos los órdenes de la teoría N=8 SUGRA recibe un apoyo firme. ¿A colación de que viene esto? Resulta que la semejanza entre N=8 SUGRA y N=4 SYM ya está siendo utilizada por algunos investigadores para proponer el uso de técnicas BCFW para estudiar la finitud a todos los órdenes de la primera. Todavía es pronto para saber si tendrán éxito, pero la «minirrevolución» BCFW sigue viento en popa.

Por cierto, la figura que abre esta entrada es el logo del workshop «Integrability in Gauge and String Theory,» Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Albert-Einstein-Institut, Potsdam-Golm, 29 June – 3 July 2009. La integrabilidad subyace bajo las técnicas BCFW y similares. En este workshop el propio Nima Arkani-Hamed reclamaba la aplicación de estas técnicas a N=8 SYM y N=8 SUGRA en su charla «Holography in Flat Space: Algebraic Geometry and the S-Matrix.» Como nota curiosa, al márgen, Gleb Arutyunov afirmaba en su charla que «AdS/CFT = 0’99999(9),» es decir, que en su opinión la validez de la conjetura AdS/CFT no ofrece dudas. En este congreso la idea general era que AdS ↔ integrabilidad ↔ CFT.

Los teóricos de cuerdas ya tienen un resultado experimental que explicar: Los oxígenos intersticiales en los cupratos superconductores tienen estructura fractal

El oxígenos intersticiales en las capas que separan los planos de óxidos de cobre en los cupratos superconductores de alta temperatura crítica presentan una organización autosemejante, invariante a transformaciones de escala, una organización fractal desde la escala de los micrómetros hasta la de los milímetros, como han demostrado experimentalmente Fratini et al. en Nature. A mayor grado de fractalidad mayor temperatura crítica. Nadie sabe cuál es el mecanismo responsable de este efecto. Ni los teóricos de cuerdas más osados han sido capaces de predecir una estructura fractal para los oxígenos en los cupratos. Una gran sorpresa para todos. ¿Se esconde el secreto de los superconductores en la teoría de los fractales? Nos lo cuenta Jan Zaanen, «High-temperature superconductivity: The benefit of fractal dirt,» Nature 466: 825–827, 12 August 2010, haciéndose eco del artículo técnico de «Scale-free structural organization of oxygen interstitials in La₂CuO_4+y,» Nature 466: 841–844, 12 August 2010.

Uno de los enigmas más intrigantes de la física teórica moderna es el mecanismo físico responsable de la superconductividad de alta Tc en cupratos (óxidos de cobre) y pnicturos (óxidos de hierro). Observar la estructura cristalina detallada de estos materiales tan complejos es muy difícil. Fratini et al. han utilizado una nueva técnica llamada microdifracción por luz sincrotrón para determinar la estructura tridimensional de los oxígenos en el cuprato superconductor La₂CuO_4+y hasta la escala de los milímetros. El resultado es sorprendentemente hermoso: los oxígenos intersticiales forman patrones geométricos semejantes a diferentes escalas, que van desde un micrómetro hasta fracciones de milímetro. Los fractales aparecen en la naturaleza por doquier, pero nadie pensaba que se encontraran en los cupratos y menos aún que afecten directamente a la superconductividad: la Tc aumenta cuando la fractalidad crece. Este descubrimiento sugiere que alguna propiedad cuántica aún desconocida que emerja gracias a la fractalidad puede ser el mecanismo que resuelva el misterio de los superconductores de alta Tc.

El concepto del experimento de Fratini et al. es muy simple, pero ha requerido una de las instalaciones de radiación sincrotrón más grandes del mundo (ESRF o European Synchrotron Radiation Facility). La difracción utilizando rayos X de alta energía (12–13-keV) ha permitido determinar la posición espacial de los átomos de oxígeno en una escala nanométrica. La distribución espacial observada muestra el comportamiento de una ley de potencias, que asegura la existencia de una invariancia de escala. Una estructura fractal asombrosa que ha pillado por sorpresa a todos los especialistas.

¿Qué origina los patrones fractales en los oxígenos intersticiales? Se cree que los patrones fractales se originan durante el enfriamiento rápido de la muestra hasta la temperatura de nitrógeno líquido. Los oxígenos son moléculas muy móviles por lo que Jan Zaanen sospecha que actúa alguna forma novedosa de «turbulencia» asociada a la «congelación» del «líquido» formado por los oxígenos en el cristal. De hecho, utilizando dos métodos (protocolos) de enfriamiento diferentes los Fratini et al. han observado que cambia la escala hasta la que se observa la fractalidad, hasta 180 y 400 micrómetros, respectivamente, y además también cambia la temperatura crítica que pasa de Tc = 32 K hasta Tc = 40 K. La escala a la que finaliza la fractalidad determina la temperatura crítica. Este fenómeno es imposible de entender utilizando la teoría convencional (BCS) para la superconductividad en la que el estado superconductor es un estado condensado de Bose-Einstein para los bosones que se forman cuando los electrones se unen en pares (de Cooper). ¿Por qué el mecanismo de emparejamiento debería ser sensible a cambios sutiles en el desorden de la estructura cristalina a una escala de longitud tan grande como cientos de micrómetros?

En los metales y materiales superconductores convencionales los electrones forman un gas (líquido de Fermi) en el que las interacciones cuánticas son débiles. No es así en los superconductores de alta Tc. Recientemente se ha aplicado la teoría de cuerdas para entender el estado fuertemente acoplado de los electrones en un líquido que no es de Fermi. La dualidad AdS/CFT se ha propuesto como herramienta matemática para entender el comportamiento cuántico de los electrones en un superconductor de alta Tc. ¿Se pude incorporar la estructura fractal de los defectos del cristal en el marco de esta teoría? Por ahora nadie lo sabe.

Los físicos teóricos de cuerdas están de enhorabuena. Ya lo hemos dicho muchas veces en este blog. Las nuevas teorías físicas requieren la guía de los resultados experimentales. Este nuevo resultado experimental, inesperado, sorprendente, mágico, …, rondará los cerebros de los mejores físicos de cuerdas del mundo que ya tienen algo que explicar. La búsqueda de la explicación de este comportamiento gracias a la teoría BCS y sus variantes parece imposible. La búsqueda de la explicación utilizando técnicas AdS/CFT se me antoja prometedora (Jan Zaanen no es de la misma opinión).

Eres experto en teoría de cuerdas y no te estás leyendo este artículo técnico ahora mismo. ¡No me lo puedo creer!

Nuevo artículo de teoría de cuerdas aplicada a la física de la materia condensada publicado en Science

Los físicos teóricos de cuerdas están de enhorabuena. Si trabajan en física de la materia condensada ya pueden aspirar a publicar en revistas como Science y Nature. La teoría de cuerdas, una utopía hace una década, se está convirtiendo en una herramienta, cual escalpelo, capaz de diseccionar la realidad desde un nuevo enfoque: la realidad exótica en la física de la materia condensada y del estado sólido. El comportamiento de los electrones en los metales se explica gracias a la teoría de líquidos de Fermi. En superconductores de alta temperatura (cupratos y pnicturos) y en materiales con fermiones pesados cerca de una transición de fase cuántica (toda una repajolera de materiales), se observan electrones que no se comportan según la teoría de líquidos de Fermi. Las técnicas matemáticas para entender estos materiales tan extraños están en su infancia. La teoría de cuerdas, más matemáticas que física, se nos ofrece como una poderosa herramienta donde no hay otra opción (la matemática de la teoría de cuerdas manda cojones para cualquier físico de la materia condensada). La dualidad AdS/CFT (gravedad/teoría cuántica de campos) permite caracterizar los materiales que no se comportan como líquidos de Fermi y entender sus comportamientos y propiedades. Bueno, no hay que exagerar, la matemática de la teoría de cuerdas tampoco es tan complicada, digo yo. Tras 40 años de avances teóricos de los físico-matemáticos más frikis del planeta ya hay hasta libros de texto para enterarse de la misa la mitad. Aún así cuando me hablan de teorías holográficas para entender la física de materiales se me ponen los pelos como escarpias (a mí que estudié y aprobé holografía en Óptica de Fourier). El artículo técnico que Thomas Faulkner, Nabil Iqbal, Hong Liu, John McGreevy y  David Vegh han logrado colar en Science se titula «Strange Metal Transport Realized by Gauge/Gravity Duality,» Science, Published Online August 5, 2010 [el artículo está en ArXiv, con otro título]. El artículo técnico, en mi modesta opinión, es solo para frikis. Algunos pensarán que me equivoco y que dentro de 10 años el físico que no lo entienda no debería haber recibido el título. Quizás tengan razón. He de confesar que no pude pasar del primer tomo del «Superstring theory» de Green, Schwarz y Witten, y que aunque me tragué los dos tomos del «String Theory» de Polchinski, soy incapaz de resolver la mayoría de los ejercicios propuestos (afortunadamente la solución se encuentra en muchas fuentes por internet). Me encuentro entre los que disfrutaron con pasión «The Quantum Theory of Fields» de Weinberg. ¡Pobre de mí! ¡A mis años, un torpe!

Edward Witten ha ganado la Medalla Isaac Newton 2010 del británico Institute of Physics

El profesor Edward Witten (del Institute for Advanced Studies, Princeton, EEUU) ha ganado la edición de 2010 de la Medalla Isaac Newton concedida por el Institute of Phycis (IOP) británico. Al recibir el premio ha impartido una charla, disponible en vídeo en dos partes (Parte I y Parte II). Os recomiendo ver estos vídeos, especialmente el segundo, donde Witten acaba solicitando jóvenes prosélitos para su causa, el futuro de la teoría de cuerdas. No es una llamada desesperada pero es interesante observar como han cambiado los tiempos. Era obvio hace 10 años que todos los jóvenes que aspiraban a físicos teóricos querían trabajar en teoría de cuerdas. Hoy ya no pasa lo mismo. Los jóvenes saben que su futuro está con los pies en la tierra. Batallando por entender los resultados del LHC del CERN y otros experimentos en curso. La gloria de la teoría de cuerdas quizás acabe como la utopía del evo.

Witten no es un gran divulgador por el número de sus contribuciones pero sí por la calidad de ellas. Os recomiendo sus artículos divulgativos, como Reflections on the Fate of Spacetime, Duality, Spacetime and Quantum Mechanics, Magic, Mystery, and Matrix, The Holes are Defined by the String, The Mass Question, Hunting the Higgs, Universe on a String, Black Holes and Quark Confinement, When Symmetry Breaks Down y Unravelling String Theory.

Por cierto, he olvidado mencionar que me enteré del premio por Luboš Motl, «Newton Medal talk by Witten,» The Reference Frame, July 28, 2010. Lubos se siente el gran cruzado de la SUSY (supersimetría), como nos cuenta en «Suzy at last?,» TRF, July 30, 2010 («the only well-known website in this Solar System that defends supersymmetry as the most likely next experimental discovery in high-energy physics«), que toma título de y comenta a la entrada de Philip Gibbs, «Suzy at Last?,» viXra log, July 30, 2010. ¿Se observará la supersimetría en el LHC del CERN? La signatura de la SUSY en el LHC es la producción de muchos chorros de partículas (asociados a partículas muy masivas) junto a muchas pérdidas de energía (asociadas a partículas que interactúan poco como los neutrinos). En la actualidad el análisis teórico y computacional de este tipo colisiones no es fácil pero se están haciendo grandes avances. Si hay algún lector interesado en estos temas le recomiendo la charla de Matthew Schwartz (Harvard University), «Precision Jet Physics at the LHC,» Particle Theory Seminar, Rutgers University, May 4 2010 [vídeo rm].

Lubos Motl, las teorías GraviGUT y la renormalizabilidad de la rotura espontánea de la simetría

Una teoría GraviGUT es una teoría de gran unificación (GUT) basada en un grupo de simetría tan grande que tiene como subgrupos a los grupos de simetría del modelo estándar, SU(3)×SU(2)×U(1), y al grupo de Poincaré de la relatividad general, SO(3,1). Hay muchos ejemplos publicados, como la teoría del físico surfero Garrett Lisi. En una teoría GraviGUT la simetría está rota de tal forma que a baja energía se recuperan el modelo estándar y la gravedad. Por qué es muy difícil construir una teoría GraviGUT correcta. Porque romper la simetría de forma explícita (artificial) es muy fácil, pero romperla de forma espontánea (dinámica) es muy difícil y dicha ruptura tiene que cumplir que sea compatible con todos los experimentos de física partículas conocidos hasta el momento (renormalizable), algo que no es nada fácil. Nos lo cuenta Lubos Motl en  «Why there is no GraviGUT symmetry,» The Reference Frame, July 08, 2010. Me ha gustado como lo presenta así que permitidme, sin que sirva de precedente, un resumen breve. Los interesados en más detalles pueden recurrir al original.

Supongamos que el grupo SU(390) describe una teoría GUT con una carga de color que tiene 390 valores diferentes. A baja energía la realidad muestra que los quarks tienen solo 3 colores y cumplen la simetría SU(3). No hay ningún problema, SU(390) incluye como subgrupo a SU(3). Si rompemos la simetría SU(390) de forma explícita para que a baja energía resulte SU(3), la física compatible con SU(390) a alta energía será indistinguible a baja energía de la física de SU(3). Una teoría renormalizable es una teoría que a cierta energía no se ve influida por lo que pase a una energía más alta. El problema es que necesitamos una rotura espontánea de la simetría. Un mecanismo dinámico (no un mecanismo ad hoc) de rotura de la simetría. La física es algo más que teoría de grupos. El mecanismo de ruptura espontánea de la simetría conducirá a la aparición (predicción) de un conjunto de bosones de Higgs que serán observables a energía intermedia (asociada a la escala de la ruptura de la simetría). ¿Es fácil construir una rotura dinámica de la simetría SU(390) que conduzca a SU(3) a baja energía? No, no es nada fácil y hay que hacerlo de tal forma que el resultado sea una teoría renormalizable libre de anomalías (como partículas de masa nula que no han sido observadas).

Con una teoría GraviGUT pasa exactamente lo mismo. Se trata de una teoría GUT que en lugar de usar un grupo como SU(5) o E6 que incluyen a las simetrías del modelo estándar  como subgrupos, utilizan un grupo más grande como SO(10) o E8 que además incluyen como subgrupo a SO(3,1). Pero el problema vuelve a ser si es posible romper espontáneamente estas simetrías de forma dinámica y obtener a baja energía la física quiral del modelo estándar. Hay teoremas (como el de Coleman-Mandula y el Haag–Lopuszanski–Sohnius) que afirman que es imposible hacerlo si no se incorpora la supersimetría (SUSY). El problema es que respetar la SUSY no es nada fácil, por ejemplo, la teoría de Garrett Lisi basada en E8 no la respeta. La teoría de cuerdas heteróticas basada en E8×E8 sí es capaz de respectar la SUSY, pero las teorías de cuerdas no respetan simetrías tipo GraviGUT y por tanto no incluyen una GraviGUT en su seno.

Una teoría renormalizable es una teoría en la que se puede introducir una escala de energía y se pueden realizar cálculos teniendo en cuenta la física hasta dicha escala sin importar lo que pase a energías más altas. Es una propiedad muy importante en una teoría cuántica de campos porque sin esta propiedad cualquier cálculo requiere tener en  cuenta un número infinito de fenómenos lo que conduce a resultados sin sentido físico (valores infinitos). La razón es sencilla. El principio de incertidumbre de Heisenberg para la duración y la energía involucrada en un proceso afirma que en tiempos muy cortos puede haber fenómenos con escalas de energía enormes. En un tiempo suficientemente corto puede pasar cualquier cosa. Pero como no podemos tener en cuenta en nuestros cálculos que pase cualquier cosa, tiene que haber un umbral, una escala de energía a partir de la cual lo que pueda pasar no importe para nada en los cálculos. Solo en las teorías renormalizables se pueden redefinir los parámetros de la teoría para que tengan en cuenta el efecto de todo lo que puede llegar a pasar, incluso si no sabemos calcularlo. El problema es que construir una teoría renormalizable no es nada fácil (por ejemplo no sabemos hacerlo con la teoría de la gravedad cuántica). Y construir una teoría renormalizable con mecanismo de ruptura espontánea de la simetría es aún más difícil, casi imposible. Construir una teoría GraviGUT renormalizable es mucho más difícil que construir una teoría de la gravedad cuántica renormalizable, de hecho, de la primera se obtendría automáticamente la segunda. Para renormalizar una teoría cuántica de la gravedad hay que buscar puertas traseras, retrueques argumentales, como la teoría de cuerdas, la teoría cuántica de bucles o las teorías con invarianza de escala (que no respetan la relatividad especial a alta energía).

La teoría de cuerdas vuelve a sus orígenes (cantemos todos «QCD killed the stringy star»)

http://www.youtube.com/watch?v=Iwuy4hHO3YQ&a=z_qaH5bd8TQ

La teoría de cuerdas nació para explicar la fuerza nuclear fuerte. El confinamiento de los quarks en los mesones se explicaba como si los dos quarks en un mesón estuvieran unidos por una cuerda que al separarlos se rompe en dos, impidiendo aislar dichos quarks, siempre unidos por cuerdas. La cromodinámica cuántica mató a la teoría de cuerdas. Los teóricos de cuerdas encontraron la gravedad (el gravitón) y pensaron que el filón de la gravedad cuántica sería su salvación. Las grandes esperanzas en los 1980, tras la primera revolución de la teoría de cuerdas, y en los 1990, tras la segunda revolución, de lograr una «Teoría de Todo» se desvanecieron en los 2000 (por el problema del vacío o landscape). La esperanza «cordal» de la gravedad cuántica está ahora de capa caída. Sin embargo, las cabras descarriadas siempre vuelven al redil. Gracias a Maldacena, Witten, y otros, gracias a la dualidad AdS/CFT, la teoría de cuerdas ha vuelto a finales de los 2000 a sus orígenes y ha vuelto para quedarse. Hoy en día es imposible entender el acomplamiento fuerte entre partículas en teorías cuánticas de campos sin recurrir a la matemática de la teoría de cuerdas. Cuerdas, D-branas, agujeros negros y otros «artilugios» matemáticos son claves para entender los plasmas de quarks y gluones, las transiciones de fase cuánticas,  y muchos otros sistemas fuertemente acoplados en física de la materia condensada. Nos lo cuentan por doquier, como por ejemplo en Clifford V. Johnson, Peter Steinberg, «What black holes teach about strongly coupled particles,» Physics Today 63: 29-33, May 2010 (de acceso gratuito). Clifford es autor de un blog, Asymptotia, en el que ha tratado estos temas muchísimas veces y, como no, ha dedicado una entrada a su propio artículo titulada «The Search for Perfection,» May 3, 2010. Ha llegado el momento en el que todos tenemos que cantar la canción de los Buggles, «Video killed the radio star» pero coreando el estribillo con un «QCD killed the stringy star» ¡Vamos todos!

El problema del vacío en teoría de cuerdas se refiere al hecho de que aunque los teóricos de cuerdas afirman que la teoría de cuerdas es única, sin embargo, la aproximación efectiva a la teoría de cuerdas a baja energía, el vacío, que debería coincidir con el modelo estándar, no es único, todo lo contrario. No se sabe ni cuántos posibles vacíos hay, pero algunos llegan a estimarlos en 10¹⁰⁰, una barbaridad. Demasiados posibles vacíos para poder explorarlos todos en busca de uno o una familia que conduzca al modelo estándar. Más aún, ¿qué es un vacío de la teoría de cuerdas? Hace años se pensaba que era una variedad (hipersuperficie) de tipo Calabi-Yau en 6 dimensiones (las que se compactifican en las dimensiones transversales de las cuerdas). Sin embargo, desde la introducción de la dualidad y la teoría M ya ni siquiera se sabe lo que es un vacío en teoría de cuerdas. ¿Una variedad de 6 dimensiones general? ¿Algún tipo en particular? Nadie lo sabe. La NSF (National Science Foundation) lleva financiando desde 2006 un proyecto llamado «String Vacuum Project» (SVP) para estudiar el vacío en teoría de cuerdas. Sólo este año se han recibido 150 mil dólares para pagar a 3 becarios. En 2008 se les dedicó una noticia en Nature, Geoff Brumfiel, «String theorists hope to classify the cosmos. Dimensions of space-time used to order potential universes,» News, Nature 452: 392-393, 26 March 2008. Ayer acabó la primera reunión anual del proyecto SVP (SVP 2010 Spring Meeting). Los vídeos de las conferencias están disponibles en la web de KITP. No sé si alguno de los lectores estará interesado en la fenomenología de la teoría de cuerdas, pero el resumen más rápido de esta conferencia es que los teóricos de cuerdas no tienen ni idea de cómo resolver el problema del vacío. Basta ver el resumen de Michael Douglas, ahora en Stony Brook, «Questions About the String Landscape,» KITP SVP, May 04, 2010. Visto en Peter Woit, «String Vacuum Project 2010,» Not Even Wrong, May 3rd, 2010.

Todo lo contrario ocurre en el campo de las aplicaciones de la teoría de cuerdas en teoría cuántica de campos, cromodinámica cuántica, física del estado sólido, etc. Como nos cuenta Clifford en su blog y en su artículo con Peter Steinberg, “What black holes teach about strongly coupled particles” (aunque el artículo es gratis, él también se ha permitido colgarlo en su web), los fluidos ideales (en equilibrio local y con viscosidad η despreciable) no existen en la Naturaleza, salvo en unos pocos casos excepcionales. El más famoso es el comportamiento del helio-3 como superfluido, pero hay muchos otros ejemplos. En el experimento RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) del BNL (Brookhaven National Laboratory) se descubrió en 2005 gracias a la colisión de núcleos de oro que un plasma de quarks y gluones se comportan como un fluido ideal. Un grupo de la Universidad de Duke demostró que un sistema fuertemente acoplado de átomos de litio también se comporta como un fluido ideal. Incluso, el grafeno muestra comportamiento de fluido ideal. Todos estos ejemplos se caracterizan por un acoplamiento fuerte entre sus constituyentes. Las teorías matemáticas usuales para estudiar estos fluidos ideales no funcionan porque se basan en aproximaciones perturbativas que requieren un acoplamiento débil. ¿Qué hacer entonces? Hay que recurrir a la teoría de cuerdas y la dualidad AdS/CFT.

Para estudiar un plasma de quarks y gluones no se puede utilizar la teoría de perturbaciones basada en la propiedad de libertad asintótica de la cromodinámica cuántica (a distancias muy cortas la fuerza fuerte entre quarks disminuye hasta anularse). Sin embargo, los resultados del RHIC no se pueden entender utilizando la libertad asintótica, que predice que el plasma de quarks y gluones debería comportarse como un gas, no como un fluido. La salvación de los teóricos es el principio holográfico conjeturado por Gerard ’t Hooft y desarrollado por Leonard Susskind. Según este principio cualquier teoría cuántica de la gravedad en un espacio tiempo (d+1)-dimensional es equivalente a una teoría cuántica de campos en su frontera d-dimensional. Este principio permitió entender/explicar la entropía de los agujeros negros y la radiación de Hawking-Bekenstein en el contexto de la teoría de cuerda en los 1990. Explicar efectos de una teoría de la gravedad en (d+1) dimensiones mediante una teoría no gravitatoria en d-dimensiones, su «dual holográfico» parece una cara de la moneda. La otra cara de la moneda es explicar una teoría no gravitatoria en d-dimensiones utilizando una teoría gravitatoria en (d+1)-dimensiones. Parece una tontería, pero es una herramienta mucho más poderosa de lo que parece y uno de los grandes logros de la teoría de cuerdas en la década de los 2000, ya que el régimen de acoplamiento fuerte de la teoría no gravitatoria se transforma en el régimen de acoplamiento débil de la teoría gravitatoria.

La correspondencia AdS/CFT es el ejemplo mejor conocido de la holografía y relaciona una teoría gravitatoria en un espaciotiempo llamado anti-de Sitter (un espaciotiempo plano de Minkowski con constante cosmológica negativa) con una teoría no gravitatoria de campos conformes (teoría gauge de Yang-Mills supersimétrica con una invarianza de escala local). La simetría gauge de la teoría es el grupo SU(Nc), donde Nc es el número de colores. La dualidad AdS/CFT es útil cuando Nc es un número grande. Todo esto parece poco útil en cromodinámica cuántica, una teoría no supersimétrica con sólo Nc=3. Sorprendentemente, para el estudio de plasmas de quarks y gluones a alta energía, las diferencias entre ambas teorías son muy pequeñas, lo que permite aprovechar todo el potencial de la teoría de cuerdas. Máxime cuando QCD en redes (la versión «numérica» de la cromodinámica) encuentra muchas dificultades computacionales a la hora de estudiar un plasma de quarks y gluones realista.

Una idea que parece de ciencia ficción: agujeros negros en un espaciotiempo en 5D que permiten estudiar el comportamiento a temperatura finita de teorías de Yang-Mills tipo QCD en 4D. ¿Un accidente? ¿Una mera coincidencia? ¿Hay algo más profundo en esta conexión íntima entre objetos tan poco relacionados a priori? Realmente todavía no se sabe. Lo que sí sabemos es que la teoría de cuerdas está dando unos jugosos frutos que hace 10 años parecían utópicos. ¿Hasta dónde nos llevará este retorno de la teoría de cuerdas a sus orígenes?

PS (12 mayo 2010): La entrada de Lubos Motl, «So is the (AdS/QCD) black hole real?,» The Reference Frame, May 12, 2010, discute en qué sentido los agujeros negros en el contexto de la correspondencia AdS/CFT son reales o no. Su entrada es respuesta a los comentarios de Clifford Johnson en «But is it Real? (Part One),» Asymptotia, May 11, 2010.

Físicos españoles utilizan la teoría de cuerdas para calcular la radiación de Cherenkov mesónica en un plasma de quarks y gluones

Una partícula con carga eléctrica que atraviesa un medio a una velocidad superior a la velocidad de la luz en dicho medio produce radiación de Cherenkov (Čerenkov) gracias a que aparece una onda de choque que emite fotones polarizados. Un quark que atraviesa un plasma de quarks y gluones también puede emitir radiación de Cherenkov pero formada por gluones en lugar de fotones. Físicos españoles han demostrado que dicho quark también puede emitir mesones (pares quark-antiquark sin carga de color total) cuando este plasma se comporta como un líquido, en el régimen de acoplamiento fuerte. Lo sorprendente de su trabajo es que han calculado esta radiación utilizando un modelo de teoría de cuerdas, con agujeros negros y cuerdas entre D-branas. Los quarks y gluones tienen sólo 3 colores, pero los físicos españoles han aprovechado que una teoría de quarks con infinitos colores se puede estudiar utilizando la teoría de cuerdas. Como los mesones emitidos no tienen color (son neutros porque el color del quark se compensa con el anticolor del antiquark), se pueden estudiar en el marco de una teoría con infinitos colores Nc→∞, como si su color «efectivo» fuera 1/Nc→0. La energía que emite (pierde) el quark mientras atraviesa el plasma a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en dicho plasma se modela como la energía depositada en la D-brana por una cuerda cuyos dos extremos acaban en dicha D-brana. Esta energía permanece en la D-brana y gracias a una analogía con una agujero negro se puede calcular su valor. En un modelo dual gauge-gravedad, esta energía es exactamente igual a la radiación Cherenkov mesónica que emitiría el quark. La ventaja de la teoría de cuerdas es que el régimen de acoplamiento fuerte entre quarks se transforma a una régimen de acoplamiento débil en las D-branas, lo que posibilita el cálculo exacto de la energía emitida. Un interesantísimo trabajo que los físicos podrán disfrutar en Jorge Casalderrey-Solana, Daniel Fernández, David Mateos, «New Mechanism for Quark Energy Loss,» Physical Review Letters 104: 172301, 30 April 2010 (versión gratis en ArXiv).

PS (4 mayo 2010): Como no podía ser menos, se han hecho eco de este artículo de físicos españoles en Physics, en concreto Abhishek Agarwal, «A flash in the quark gluon plasma,» Synopses, May 3, 2010.