Un científico brasileño promueve avances en la teoría de supercuerdas

Con 25 años de investigación en física y matemática, el estadounidense naturalizado brasileño Nathan Berkovits se refiere al estado del arte de ese modelo teórico y a sus aportes en su desarrollo

Por José Tadeu Arantes

Agência FAPESP – Todas las experiencias en física de altas energías realizadas de las últimas décadas confirmaron el llamado “Modelo Estándar de Partículas”, una construcción teórica que describe la estructura y el comportamiento de la materia en las escalas atómica y subatómica.

Varios científicos que contribuyeron al desarrollo del modelo fueron galardonados con el premio Nobel de Física, incluso el británico Peter Higgs, quien postuló el famoso Bosón de Higgs, y fue laureado junto al belga François Englert en 2013.

Pero tal éxito no deja de constituir a su vez un impasse, pues en el Modelo Estándar hay importantes cuestiones que permanecen sin solución.

La más importante de ellas, tantas veces mencionada, es la imposibilidad de unificar en un cuadro único las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza (gravitacional, electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte), debido a la incompatibilidad entre la teoría general de la relatividad (que describe la interacción gravitacional) y la teoría cuántica (que describe las otras tres interacciones).

Por ese motivo, físicos de las nuevas generaciones se abocan a la búsqueda de alternativas al Modelo Estándar. Se han planteado diversas propuestas, pero la que se ha mostrado más duradera y prometedora es la teoría de supercuerdas, que reemplaza a la noción de partículas puntuales del Modelo Estándar por la noción de diminutas cuerdas en vibración. Las distintas vibraciones o “modos de excitación” de las cuerdas darían origen a los diversos tipos de partículas.

Esta teoría ha pasado por distintas reformulaciones desde que se la postuló por primera vez, a comienzos de los años 1970. Uno de los científicos que ha contribuido activamente en su desarrollo es el estadounidense naturalizado brasileño Nathan Berkovits, profesor titular del Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp) de São Paulo, Brasil.

Berkovits recibió en 2009 el premio anual de física de la The World Academy of Sciences (TWAS) por su investigación con supercuerdas. Desde 2011, dirige el ICTP South American Institute for Fundamental Research (ICTP-SAIFR), creado en colaboración por el Abdus Salan International Centre for Theoretical Physics (ICTP), de Trieste (Italia), la Unesp y la FAPESP.

Coordina actualmente el Proyecto Temático intitulado “ICTP Instituto Sudamericano para la Investigación Fundamental: un centro regional para física teórica”, apoyado por la FAPESP, y concluyó en 2014 otro Temático, intitulado “La investigación y la enseñanza en teoría de cuerdas”.

En entrevista a Agência FAPESP, Berkovits presenta el estado del arte en el estudio de las supercuerdas y describe sus principales aportes a ese campo teórico.

Agência FAPESP – ¿Por qué es tan importante construir una teoría capaz de superar la contradicción existente entre la relatividad general y la mecánica cuántica?
Nathan Berkovits – Aunque se utiliza la relatividad general en la descripción del macrocosmos, en escalas interestelares e intergalácticas, y la mecánica cuántica en la descripción del microcosmos, en escalas atómicas y subatómicas, la compatibilización de ambas no es irrelevante, fundamentalmente si pretendemos entender el universo primordial. Según la teoría del Big Bang, el universo tenía un tamaño subatómico en las fracciones de segundo que le siguieron al instante inicial. La escala en la cual la mecánica cuántica tiene efectos sobre la interacción gravitacional es tan pequeña que ni siquiera podemos soñar en construir aceleradores capaces de detectarla, pero se podrá eventualmente obtener información a partir de observaciones cosmológicas sobre el universo joven.

Agência FAPESP – ¿Y la teoría de supercuerdas sería una alternativa prometedora para la superación de esa contradicción?
Berkovits – Sí, ya que en ella las distintas vibraciones de las cuerdas describen partículas diferentes. Esto permite que la teoría de supercuerdas no solamente unifique a la interacción gravitacional con las otras interacciones, sino que también unifique a todas las partículas. La teoría de supercuerdas está muy lejos de poder ser verificada experimentalmente, pero ya ha dado origen a varias ideas que han sido útiles en otras áreas de la física y de la matemática. Una de esas ideas es el concepto de supersimetría.

Agência FAPESP – ¿Podría hablar sobre ese concepto?
Berkovits – El concepto de supersimetría relaciona a las partículas fermiónicas que constituyen la materia con las partículas bosónicas, que transmiten las interacciones o las fuerzas entre los constituyentes de la materia. Aunque los fermiones y los bosones son muy diferentes, existe la posibilidad de relacionar a esos dos tipos de partículas mediante el concepto de supersimetría. Este concepto prevé que, por cada fermión, existiría un bosón correspondiente, esto es, una partícula supersimétrica. Y viceversa. Surgió en los años 1970, en la teoría de cuerdas, por eso pasó a llamárselas supercuerdas. Una propiedad importante de las teorías con supersimetría indica que en ellas las divergencias con la mecánica cuántica se atenúan debido a la posibilidad de una cancelación entre partículas fermiónicas y partículas bosónicas. Por eso incluso los físicos que no trabajan con supercuerdas pasaron interesarse fuertemente en la supersimetría. Los investigadores del LHC [Large Hadron Collider o Gran Colisionador de Hadrones], en Ginebra, están buscando activamente evidencias de supersimetría. Es un concepto que se mostró aplicable en varias áreas de la física y de la matemática.

Agência FAPESP – Una dificultad que la teoría de supercuerdas plantea es la necesidad de un espacio con muchas dimensiones para describirla.
Berkovits – Efectivamente. El formalismo matemático de la teoría de supercuerdas utiliza un espacio con diez dimensiones. Surge entonces la pregunta: ¿por qué observamos tan sólo cuatro de esas diez dimensiones? Hay al menos dos respuestas para eso. Una consiste en afirmar que las otras seis dimensiones son tan pequeñas que no podemos detectarlas. El modelo que sostiene eso se denomina compactificación. Otra respuesta consiste en decir que la materia no puede ocupar todas las dimensiones del Universo, sino tan sólo su superficie. El Universo sería un objeto decadimensional con una superficie tetradimensional, y partículas tales como los electrones y los fotones estarían confinados en esa superficie. Solamente el gravitón, el transmisor de la interacción gravitacional, estaría libre para desplazarse por el Universo entero. Tal superficie recibe el nombre de brana, por analogía con la membrana, que es la superficie bidimensional de un objeto tridimensional. Y existe entonces toda una teoría de branas.

Agência FAPESP – ¿Qué evoluciones ocurridas en la teoría de supercuerdas en las últimas décadas puede usted destacar?
Berkovits – Una evolución importante fue el concepto de “dualidad”, que consiste en relacionar dos teorías muy diferentes utilizadas para describir lo mismo. El ejemplo más importante de “dualidad” es la correspondencia AdS-CFT, que relaciona una teoría de gravitación cuántica con una teoría de campo. Esta correspondencia fue conjeturada en 1997 por el físico argentino Juan Maldacena (del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, en Estados Unidos), quien posteriormente, al mismo tiempo que otros científicos, reunió varias evidencias para comprobarla. Se trata de la correspondencia entre una teoría de gravitación cuántica en un espacio anti-de-Sitter (AdS) y una teoría de campo del tipo Yang-Mills supersimétrica (que es un ejemplo de conformal field theory o CFT). La correspondencia AdS-CFT es uno de los temas más activos en la física teórica de altas energías de los últimos 15 años, y ha generado aplicaciones en otras áreas, tales como la física de iones pesados y la física de superconductividad.

Agência FAPESP – ¿Y también está su contribución, no es cierto?
Berkovits – Mi investigación ya dura unos 25 años. Me he concentrado en la comprensión de la supersimetría en la teoría de supercuerdas y en la aplicación de esa comprensión al estudio de la correspondencia AdS-CFT. El formalismo convencional para las supercuerdas, o RNS (sigla formada por las letras iniciales de los apellidos de los investigadores Pierre Ramond, Andre Neveu y John Schwarz), fue desarrollado en la década de 1970. Pero la supersimetría estaba escondida en él. En los años 1980, Michael Green y John Schwarz desarrollaron un formalismo alternativo, el GS (sigla formada por las letras iniciales de sus apellidos), pero su cuantización era complicada. El problema quedó abierto hasta el año 2000, cuando propuse un nuevo formalismo, con supersimetría manifiesta y cuantización simple. Este nuevo aparato recibió el nombre de “formalismo de espinores puros”, pues comprende no solamente variables vectoriales que describen el espacio-tiempo, sino también variables espinoriales.

Agência FAPESP – ¿Qué es un espinor?
Berkovits – Es una herramienta matemática, que quizá se vuelva más comprensible si la comparamos con otra herramienta matemática, el vector. Para describir cualquier punto del espacio-tiempo, empleamos un vector de cuatro dimensiones, tres para el espacio (longitud, ancho y altura) y una para el tiempo. Podemos pensar en una realidad con una cantidad mayor de dimensiones. Y el vector tendrá tantos componentes como dimensiones. El espinor permite describir otras magnitudes aparte de la posición en el espacio-tiempo. Por ejemplo, si consideramos un electrón, no basta saber únicamente en qué punto se encuentra en el espacio-tiempo, sino que también es necesario saber en qué eje está girando, es decir, cuál es su espín. Y el espinor suministra esa descripción. O sea que porta más información que el vector.

Agência FAPESP – ¿Cuál fue la repercusión de su nuevo formalismo?
Berkovits – En el año 2000, ya al comienzo de mi primer Proyecto Temático apoyado por la FAPESP, escribí un artículo intitulado Super-Poincaré covariant cuantization of the superstring, que salió publicado en el Journal of High Energy Physics (JHEP). Ese artículo ha generado más de 400 citas. Varios grupos de científicos de todo el mundo están trabajando ahora con el formalismo de espinores puros.