El universo elegante (34 page)

Así pues, mirando todo esto con mayor detalle, la supersimetría parece ser una característica terriblemente antieconómica; requiere una enorme cantidad de partículas adicionales que acaban duplicando la lista de componentes fundamentales. Dado que nunca se ha detectado ninguna de las partículas que podrían ser superparejas, estaría justificado retomar la observación de Rabi, mencionada en el capítulo 1, que sobre el descubrimiento del muon iba un paso más allá diciendo «nadie ha pedido una supersimetría» y rechazaba radicalmente este principio de simetría. Sin embargo, existen tres razones por las cuales muchos físicos creen firmemente que desechar la supersimetría está fuera de nuestro alcance y sería bastante prematuro. Veamos estas razones.

En primer lugar, desde un punto de vista estético, los físicos consideran difícil creer que la naturaleza respetaría casi todas las simetrías que son matemáticamente posibles, aunque no todas. Desde luego pudiera ser que realmente se estuviera dando una utilización incompleta de la simetría, y eso sería una lástima. Sería como si Bach, después de haber desarrollado numerosas voces entrelazadas para confeccionar un ingenioso modelo de simetría musical, hubiera dejado sin escribir el compás final resolutorio.

La segunda razón es que, incluso dentro del modelo estándar (una teoría que ignora la gravedad), las cuestiones técnicas espinosas que van asociadas a los procesos cuánticos se resuelven rápidamente si la teoría es supersimétrica. El problema básico es que cada tipo diferenciado de partícula realiza su propia contribución al frenesí microscópico de la mecánica cuántica. Los físicos han descubierto que en medio de este frenesí, ciertos procesos en los que participan las interacciones entre partículas siguen siendo coherentes
sólo
si los parámetros numéricos del modelo estándar están finamente calibrados —hasta más de una parte entre mil billones— para anular los efectos cuánticos más perniciosos. Una precisión así sería como ajustar el ángulo con el que se dispara una bala mediante un rifle enormemente poderoso para dar en un objetivo específico situado en la Luna con un margen de error no superior al espesor de una ameba. Aunque algunos ajustes numéricos para lograr una precisión análoga se pueden hacer dentro del modelo estándar, muchos físicos contemplan con bastante recelo una teoría que está construida de una manera tan delicada que falla si un número de la que depende se modifica en el decimoquinto dígito después de la coma.
^[53]

La supersimetría cambia esto radicalmente porque los
bosones
—partículas cuyo espín es un número entero (se les dio el nombre por el físico indio Satyendra Bose)— y los
fermiones
—partículas cuyo espín es la mitad de un número entero (impar) (llamadas así en honor al físico italiano Enrico Fermi)— tienden a dar contribuciones que se cancelan según la mecánica cuántica. Como los extremos opuestos de un columpio, cuando los temblores cuánticos de un bosón son positivos los de un fermión tienden a ser negativos, y viceversa. Dado que la supersimetría garantiza que los bosones y los fermiones aparecen formando parejas, desde el principio se producen cancelaciones sustanciales —unas cancelaciones que atenúan significativamente algunos de los frenéticos efectos cuánticos—. Resulta que la coherencia lógica del
modelo estándar supersimétrico
—el modelo estándar al que se han añadido todas las partículas que forman las superparejas— ya no se basa en los ajustes numéricos tan incómodamente delicados del modelo estándar ordinario. Aunque esta es una cuestión muy técnica, muchos expertos en física de partículas consideran que este efecto hace que la supersimetría resulte muy atractiva.

La tercera pieza de evidencia circunstancial para la supersimetría proviene del concepto de
gran unificación
. Una de las características misteriosas de las cuatro fuerzas de la naturaleza es la enorme gama de intensidades de sus fuerzas intrínsecas. La fuerza electromagnética tiene menos de un 1 por 100 de la intensidad de la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil es aproximadamente mil veces más débil, y la fuerza gravitatoria es alrededor de cien mil millones de billones de billones de veces más débil (10
^–35
). Siguiendo el trabajo abrecaminos que mereció al fin el premio Nobel de Glashow, Salam y Weinberg, y que establecía una profunda conexión entre la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil (comentado en el capítulo 5), en 1974 Glashow, junto con Howard Georgi, su colega de Harvard, sugirió la posibilidad de establecer una conexión análoga con la fuerza nuclear fuerte. El trabajo de estos dos últimos, que proponía una «gran unificación» de tres de las cuatro fuerzas, difería de un modo esencial de los planteamientos de la teoría electrodébil: considerando que las fuerzas electromagnética y nuclear débil surgieron a partir de una unión más simétrica cuando la temperatura del universo descendió hasta alrededor de mil billones de grados sobre el cero absoluto (10
¹⁵
grados Kelvin), Georgi y Glashow demostraron que la unión con la fuerza nuclear fuerte habría sido constatable sólo a una temperatura unos diez billones de veces más elevada, alrededor de diez mil billones de billones de grados sobre el cero absoluto (10
²⁸
grados Kelvin). Desde el punto de vista de la energía, esto es alrededor de mil billones de veces la masa del protón, o aproximadamente cuatro órdenes de magnitud menos que la masa de Planck. Georgi y Glashow llevaron audazmente a la física teórica a un dominio de energía que estaba muchos órdenes de magnitud más allá de lo que nadie se había atrevido a explorar anteriormente.

Un trabajo posterior realizado en Harvard por Georgi, Helen Quinn y Weinberg en 1974 hizo aún más manifiesta la potencial unidad de las fuerzas no gravitatorias dentro del gran marco unificado. Dado que su contribución sigue desempeñando un papel importante en la unificación de las fuerzas y en la valoración de la importancia de la supersimetría en el mundo natural, vamos a dedicar un momento a explicar este trabajo.

Todos somos conscientes de que la atracción eléctrica entre dos partículas de carga opuesta o la atracción gravitatoria entre dos cuerpos provistos de masa se vuelve más fuerte a medida que la distancia entre los objetos disminuye. Se trata de unas características sencillas y muy conocidas dentro de la física clásica. Sin embargo, surge una sorpresa cuando estudiamos el efecto que la física cuántica tiene en las intensidades de las fuerzas. ¿Por qué ha de tener algún efecto la mecánica cuántica? La respuesta, una vez más, alude a las fluctuaciones cuánticas. Cuando examinamos, por ejemplo, el campo de fuerza eléctrica de un electrón, lo estamos examinando en realidad a través de la «niebla» de las erupciones y aniquilaciones momentáneas de los pares partícula-antipartícula que se producen por toda la región del espacio que rodea a dicho electrón. Hace algún tiempo, los físicos constataron que esta agitada y hormigueante niebla de fluctuaciones microscópicas oscurece toda la intensidad del campo de fuerza del electrón, de un modo parecido a una fina niebla que oscurece parcialmente la luz de un faro. Sin embargo, hay que tener en cuenta que, a medida que nos acercamos más al electrón, nos introducimos más en la encubridora niebla de pares partícula-antipartícula y por consiguiente estamos menos afectados por su decreciente influencia. Esto implica que la intensidad del campo eléctrico de un electrón
aumentará
a medida que nos acerquemos a él.

Los físicos consideran que este aumento en intensidad según la mecánica cuántica cuando nos acercamos cada vez más al electrón es diferente del aumento conocido dentro de la mecánica clásica, y ponen de manifiesto esta diferencia diciendo que la intensidad
intrínseca
de la fuerza electromagnética aumenta a escalas de distancia menores. Esto indica que la intensidad aumenta, no sólo porque estemos más cerca del electrón, sino también porque se vuelve visible una mayor parte del campo eléctrico intrínseco del electrón. De hecho, aunque nos hemos centrado en el ejemplo del electrón, esta discusión es aplicable asimismo a todas las partículas que poseen carga eléctrica y se resume diciendo que los efectos cuánticos hacen que la intensidad de la fuerza electromagnética aumente cuando se observa a escalas de distancia más cortas.

¿Qué sucede con las otras fuerzas del modelo estándar? ¿Cómo varían sus intensidades intrínsecas con la distancia? En 1973, Gross y Frank Wilczek en Princeton, e independientemente David Politzer en Harvard, estudiaron esta cuestión y hallaron una respuesta sorprendente: la nube cuántica de erupciones y aniquilaciones de partículas
amplifica
las intensidades de las fuerzas nucleares fuerte y débil. Esto implica que, cuando las examinamos a distancias más reducidas, penetramos más hacia el interior de esta burbujeante nube y por consiguiente estamos menos sometidos a la amplificación que produce. De esta manera, las intensidades de estas fuerzas se hacen
más débiles
cuando se comprueban a distancias más cortas.

Georgi, Quinn y Weinberg tomaron esta constatación y rápidamente llegaron a un final extraordinario. Demostraron que cuando estos efectos del frenesí cuántico se contabilizan minuciosamente, el resultado neto es que las intensidades de las tres fuerzas no gravitatorias tienden a
juntarse
. Dado que las intensidades de estas fuerzas son muy diferentes a las escalas que son accesibles para la tecnología actual, Georgi, Quinn y Weinberg argumentaron que esta diferencia se debe en realidad al efecto diferente que la bruma de la actividad microscópica cuántica tiene sobre cada fuerza. Sus cálculos demostraron que, si se penetra en esta bruma al examinar las fuerzas, no a las escalas habituales que utilizamos en nuestro entorno, sino como ellas actúan, a distancias de aproximadamente una centésima de milésima de billonésima de billonésima (10
^–29
) de centímetro (un mero factor diez mil veces mayor que la longitud de Planck), las intensidades de las tres fuerzas no gravitatorias resultan ser iguales.

Aunque esté muy lejos del dominio de la experiencia común, la elevada cantidad de energía necesaria para percibir distancias tan pequeñas era una característica del universo primitivo turbio y caliente cuando tenía una edad de más o menos una milésima de trillonésima (10
^–39
) de segundo, cuando su temperatura era del orden de 10
²⁸
grados Kelvin, como se ha mencionado anteriormente. Casi del mismo modo que una colección de ingredientes dispares —trozos de metal, madera, rocas, minerales, etc.— se fusionan unos con otros y se convierten en un plasma homogéneo y uniforme cuando se calientan a una temperatura suficientemente alta, estos trabajos teóricos sugieren que la fuerza electromagnética y las fuerzas nucleares fuerte y débil se fusionan todas ellas a unas temperaturas inmensas para dar una única y gran fuerza. Esto se muestra esquemáticamente en la Figura 7.1.
^[54]

Figura 7.1
Las intensidades de las tres fuerzas no gravitatorias cuando operan a escalas de distancias cada vez más cortas o, lo que es equivalente, cuando actúan sobre procesos de energía cada vez mayor.

Aunque no disponemos de la tecnología necesaria para sondear escalas de distancia tan diminutas o para producir unas temperaturas tan abrasadoras, desde 1974 los experimentadores han refinado significativamente las mediciones de las intensidades de las tres fuerzas no gravitatorias en unas condiciones habituales normales. Estos datos —los puntos de partida para las curvas de intensidad de las tres fuerzas en la Figura 7.1— son los que se utilizaron para las extrapolaciones mecánico-cuánticas realizadas por Georgi, Quinn y Weinberg. En 1991, Ugo Amaldi del CERN, Wim de Boer y Hermann Fürstenau de la Universidad de Karlsruhe, en Alemania, rehicieron los cálculos de las extrapolaciones de Georgi, Quinn y Weinberg utilizando estos refinamientos experimentales y demostraron dos hechos significativos. En primer lugar, las intensidades de las tres fuerzas no gravitatorias
casi coincidían, pero no del todo
a escalas de distancias pequeñísimas (por consiguiente, alta energía/alta temperatura), como se muestra en la Figura 7.2.

Figura 7.2
Un refinamiento en el cálculo de las intensidades de las fuerzas pone de manifiesto que sin la supersimetría casi llegan a coincidir, pero no lo hacen.