Las simetrías que gobiernan el mundo de las partículas elementales en el nivel más elemental podrían ser radicalmente diferentes de lo que se ha pensado hasta ahora. Esta sorprendente conclusión surge de un nuevo trabajo publicado por teóricos de Varsovia y Potsdam. El esquema que postulan unifica todas las fuerzas de la naturaleza de una manera que es consistente con las observaciones existentes y anticipa la existencia de nuevas partículas con propiedades inusuales que incluso pueden estar presentes en nuestro entorno cercano.

Durante medio siglo, Los físicos han estado tratando de construir una teoría que una las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, describe las partículas elementales conocidas y predice la existencia de otras nuevas. Hasta aquí, estos intentos no han encontrado confirmación experimental, y el modelo estándar, un incompleto, pero construcción teórica sorprendentemente eficaz, sigue siendo la mejor descripción del mundo cuántico. En un artículo reciente en Cartas de revisión física , Prof. Krzysztof Meissner del Instituto de Física Teórica, Facultad de Física, Universidad de Varsovia, y el profesor Hermann Nicolai del Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik en Potsdam han presentado un nuevo esquema que generaliza el modelo estándar que incorpora la gravitación en la descripción. El nuevo modelo aplica una especie de simetría no utilizada anteriormente en la descripción de partículas elementales.

En física, las simetrías se entienden de manera algo diferente que en el sentido coloquial de la palabra. Por ejemplo, si se deja caer una pelota ahora o dentro de un minuto, seguirá cayendo de la misma manera. Esa es una manifestación de cierta simetría:las leyes de la física permanecen sin cambios con respecto a los cambios en el tiempo. Similar, Dejar caer la pelota desde la misma altura en un lugar tiene el mismo resultado que dejarla caer en otro. Esto significa que las leyes de la física también son simétricas con respecto a las operaciones espaciales.

"Las simetrías juegan un papel muy importante en la física porque están relacionadas con los principios de conservación. Por ejemplo, el principio de conservación de la energía implica simetría con respecto a los cambios en el tiempo, el principio de conservación de la cantidad de movimiento se relaciona con la simetría del desplazamiento espacial, y el principio de conservación del momento angular se relaciona con la simetría rotacional, "dice el profesor Meissner.

El desarrollo de una teoría supersimétrica para describir las simetrías entre fermiones y bosones comenzó en la década de 1970. Los fermiones son partículas elementales cuyo giro, una propiedad cuántica relacionada con la rotación, se expresa en múltiplos impares de la fracción 1/2, e incluyen tanto quarks como leptones. Entre estos últimos se encuentran los electrones, muones, tauones, y sus neutrinos asociados (así como sus antipartículas). Protones y neutrones, partículas comunes no elementales, también son fermiones. Bosones, Sucesivamente, son partículas con valores de espín enteros. Incluyen las partículas responsables de las fuerzas (fotones, portadores de la fuerza electromagnética; gluones, llevando la fuerte fuerza nuclear; Bosones W y Z, llevando la fuerza nuclear débil), así como el bosón de Higgs.

"Las primeras teorías supersimétricas intentaron combinar las fuerzas típicas de las partículas elementales, en otras palabras, la fuerza electromagnética con una simetría conocida como U (1), la fuerza débil con simetría SU (2) y la fuerza fuerte con simetría SU (3). La gravedad todavía faltaba "Dice el profesor Meissner." La simetría entre los bosones y los fermiones todavía era global, lo que significa lo mismo en todos los puntos del espacio. Al poco tiempo después, se postularon teorías donde la simetría era local, lo que significa que podría manifestarse de manera diferente en cada punto del espacio. Asegurar tal simetría en la teoría requerida para incluir la gravitación, y esas teorías se conocieron como supergravidades ".

Los físicos notaron que en las teorías de supergravedad en cuatro dimensiones espacio-temporales, no puede haber más de ocho rotaciones supersimétricas diferentes. Cada una de estas teorías tiene un conjunto estrictamente definido de campos (grados de libertad) con diferentes espines (0, 1/2, 1, 3/2 y 2), conocidos respectivamente como los campos de escalares, fermiones, bosones, gravitinos y gravitones. Para supergravedad N =8, que tiene el número máximo de rotaciones, hay 48 fermiones (con giro 1/2), que es precisamente el número de grados de libertad necesarios para dar cuenta de los seis tipos de quarks y los seis tipos de leptones observados en la naturaleza. Por lo tanto, todos los indicios de que la supergravedad N =8 es excepcional en muchos aspectos. Sin embargo, no era ideal.

Uno de los problemas al incorporar el modelo estándar en la supergravedad N =8 lo plantearon las cargas eléctricas de los quarks y leptones. Todas las cargas resultaron estar desplazadas en 1/6 con respecto a las observadas en la naturaleza:el electrón tenía una carga de -5/6 en lugar de -1, el neutrino tenía 1/6 en lugar de 0, etc. Este problema, observado por primera vez por Murray Gell-Mann hace más de 30 años, no se resolvió hasta 2015, cuando los profesores Meissner y Nicolai presentaron el mecanismo respectivo para modificar la simetría U (1).

"Después de hacer este ajuste obtuvimos una estructura con las simetrías U (1) y SU (3) conocidas del Modelo Estándar. El enfoque resultó ser muy diferente de todos los demás intentos de generalizar las simetrías del Modelo Estándar. La motivación fue reforzado por el hecho de que el acelerador LHC no produjo nada más allá del modelo estándar y el contenido de fermiones de supergravedad N =8 es compatible con esta observación. Lo que faltaba era agregar el grupo SU (2), responsable de la fuerza nuclear débil. En nuestro artículo reciente, mostramos cómo se puede hacer esto. Eso explicaría por qué todos los intentos anteriores de detectar nuevas partículas, motivado por teorías que trataron la simetría SU (2) como violada espontáneamente por bajas energías, pero como sostenido en el rango de altas energías, tuvo que ser infructuoso. En nuestra opinión, SU (2) es solo una aproximación para energías bajas y altas, "Explica el profesor Meissner.

Tanto el mecanismo que reconcilia las cargas eléctricas de las partículas, y la mejora que incorpora la fuerza débil resultó pertenecer a un grupo de simetría conocido como E10. A diferencia de los grupos de simetría utilizados anteriormente en las teorías de unificación, E10 es un grupo infinito, muy poco estudiado incluso en el sentido puramente matemático. El Prof. Nicolai con Thibault Damour y Marc Henneaux habían trabajado en este grupo antes, porque apareció como una simetría en N =8 supergravedad en condiciones similares a las de los primeros momentos después del Big Bang, cuando solo una dimensión era significativa:el tiempo.

"Por primera vez, tenemos un esquema que anticipa con precisión la composición de los fermiones en el Modelo Estándar (quarks y leptones) y lo hace con las cargas eléctricas adecuadas. Al mismo tiempo, incluye la gravedad en la descripción. Es una gran sorpresa que la simetría adecuada sea el asombrosamente enorme grupo de simetría E10, prácticamente desconocido matemáticamente. Si el trabajo adicional confirma el papel de este grupo, que supondrá un cambio radical en nuestro conocimiento de las simetrías de la naturaleza, "Dice el profesor Meissner.

Aunque la dinámica aún no se comprende, el esquema propuesto por los profesores Meissner y Nicolai hace predicciones específicas. Mantiene el número de fermiones de espín 1/2 como en el Modelo Estándar pero por otro lado sugiere la existencia de nuevas partículas con propiedades muy inusuales. En tono rimbombante, al menos algunos de ellos podrían estar presentes en nuestro entorno inmediato, y su detección debe estar dentro de las posibilidades de los equipos de detección modernos. Pero ese es un tema para una historia separada.