Probar la gravedad cuántica en el LHC

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El experimento ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones fotografiado en febrero de 2008. (Cortesía: CERN).

El hallazgo de una Teoría Cuántica de la Gravedad ha esquivado a lo mejores físicos del mundo durante casi un siglo. Además del temible reto matemático As de casar la teoría cuántica con la Relatividad General de Einstein, las extremas condiciones a las que se aplica la gravedad cuántica, por ejemplo, en los primeros 10-43 segundo del universo — hacen que sea virtualmente imposible comprobarlo en un experimento. Al menos es lo que solían pensar los investigadores.

En 1998, los físicos se dieron cuenta de que la escala natural de la gravedad cuántica (la escala de Planck, la cual corresponde a una energía de 1019 GeV) podría ser de 15 órdenes de magnitud menor si el universo tenía dimensiones espaciales adicionales en las que la verdadera fuerza de la gravedad pudiese “filtrarse”. Esto generada la idea de estudiar la gravedad cuántica en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el cual pronto colisionará protones entre sí para producir una energía de 14 TeV (aproximadamente 104 GeV).

Tomando la existencia de grandes dimensiones extra como punto de partida, Daniel Litim de la Universidad de Sussex y Tilman Plehn de la Universidad de Edimburgo han calculado que la gravedad cuántica modificaría el índice al cual los leptones, tales como electrones y muones, se producen en las colisiones del LHC — y que el efecto podría estar presente a energías tan bajas como 6 TeV (Phys. Rev. Lett. 100 131301). Aunque existen cientos de artículos prediciendo los efectos de las grandes dimensiones extra en el LHC, muy notablemente la generación de mini agujeros negros, la mayoría tienen grandes incertidumbres y no hacen tales predicciones cuantitativas.

Campos fluctuantes

Los mayores progresos en la gravedad cuántica proceden de la Teoría de Cuerdas, la cual describe las partículas como vibraciones de cuerdas unidimensionales que oscilan en espacios de dimensiones mayores (y es la inspiración que hay tras otros modelos de dimensiones extra mayores). Un intento alternativo es la Gravedad Cuántica de Bucles, la cual desgarra nuestras nociones básicas de espacio-tiempo a la mínima escala. Litim y Plehn tomaron una aproximación más convencional permitiendo la “métrica”en la Relatividad General, la cual conecta la curvatura del espacio-tiempo con la actual materia local, para fluctuar como si fuese un campo cuántico.

En 1979 Steven Weinberg realizó este ejercicio para la gravedad en 2D, revelando que la fuerza de la interacción gravitatoria entre dos partículas depende de la energía a la que se estudian esas interacciones. Un comportamiento similar se observó para las interacciones fuerte y electromagnética, las cuales se describen mediante teorías de campo cuántico. Al igual que la interacción fuerte, el acoplamiento gravitatorio resulta ser más débil en altas energías.

Usando herramientas computacionales desarrolladas en los dos últimos años, Litim y Plehn encontraron el mismo comportamiento en cuatro dimensiones y en más. Por lo que evitaron los cálculos “divergentes” que normalmente arrojaban predicciones inciertas en las teorías de gravedad cuántica basadas en fluctuaciones métricas. “Para mi comprensión, esta es la primera vez que se ha calculado el efecto de estas fluctuaciones observables par el LHC sin ningún límite no físico LHC”, dijo Litim a physicsworld.com.

Cálculos observables

Tomando en cuenta la dependencia de energía del acoplamiento gravitatorio, Litim y Plehn calcularon el índice al cual se producen pares de leptones a partir de gravitones virtuales (las partículas “mensajeras” de la gravedad que proceden de fluctuaciones de la métrica) creadas en las colisiones del LHC. Debido a que este índice se predice con gran precisión en el Modelo Estándar de la física de partículas, cualquier incremento sería una señal de gravedad cuántica. A pesar de que la gravedad se hace más débil en altas energías, el LHC resulta ser sensible a este fenómeno gravitatorio cuántico hasta una escala fundamental de Planck de 6 TeV. Además, dice Litim, la naturaleza formal de la gravedad en altas energías deja una teoría consistente de la gravedad cuántica.

Los investigadores están actualmente trabajando en cómo diferencias un efecto debido a la gravedad cuántica de otros debidos a otros teorías distintas, tales como la Teoría de Cuerdas o la supersimentría. Para algunos, no obstante, la probabilidad de observar tal efecto es escasa. “La existencia de puntos fijos gravitatorios [que surgen de las variaciones del acoplamiento gravitatorio con la energía] alteraría la señal estándar para dimensiones extra”, dice JoAnne Hewett de la Universidad de Stanford, que realizó un cálculo similar aproximadamente a la vez que Litim y Plehn (JHEP 12(2007)009). “Estos son buenos cálculos, pero hay un gran trecho para conectarlos con la realidad”.



Autor: Matthew Chalmers
Fecha Original: 9 de abril de 2008
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