Es mostren les entrades ordenades per rellevància per a la consulta MUONS. Ordena per data Mostra totes les entrades
Es mostren les entrades ordenades per rellevància per a la consulta MUONS. Ordena per data Mostra totes les entrades

06/11/2022

Dossier Conèixer els neutrins: 4 Els neutrins atmosfèrics

El neutrí es va postular l'any 1930 per resoldre un problema important de la Física: la conservació de l'energia. La seva existència experimental no es va demostrar fins un quart de segle després. Des de llavors, el neutrí ha ocupat l'escenari amb els seus nombrosos enigmes, però la detecció i, per tant, la verificació de les prediccions, és especialment difícil. Això requereix detectors molt massius. El problema definitiu resolt és el de la massa dels neutrins: tenen massa o no? A veure com va arribar la resposta.

Però la contribució de Super-Kamiokande no es va aturar aquí. L'experiment no només va verificar les oscil·lacions dels neutrins solars, sinó que va confirmar les dels neutrins atmosfèrics suggerides anteriorment per dos experiments més petits.


Clic per engrandir. Posta de Sol sobre la Terra. Crèdit: Qimono, CCO

Els neutrins atmosfèrics es produeixen pel bombardeig de raigs còsmics primaris, que no són altres que protons d'energia molt alta, a les capes de l'atmosfera superior. Durant aquests xocs, es generen moltes partícules secundàries. Entre elles, un gran nombre de partícules es desintegra.

A nivell del sòl, hi ha una pluja de neutrins d'ambdós tipus, electrons i muons, en proporció de 1 a 2 a causa dels processos de producció coneguts. Aquests neutrins no tenen una direcció privilegiada, provenen de tots els horitzons des de l'atmosfera que envolta la Terra amb una closca aproximadament uniforme i el flux de radiació còsmica és més o menys igual en totes les direccions. El detector Super-Kamiokande és capaç de distingir traces procedents d'electrons o de muons.


Clic per engrandir. Interaccions de neutrins al Super-Kamiokande: aquí teniu les imatges obtingudes amb aquests dos tipus de neutrins. Interacció de neutrins electrònics (imatge superior) i interacció de neutrins de muònics (imatge inferior). Crèdit: François Vannucci

Per tant, l'experiment SuperKamiokande pot classificar les interaccions de neutrins electrònics i neutrins de muons per separat. Tanmateix, si el flux de neutrins electrònics colpeja el detector en totes direccions al nivell esperat pels càlculs, el dels neutrins muònics mostra una distribució en la qual els neutrins travessen la Terra, és a dir, els produïts als antípodes i arriben des de baix al detector, semblen haver desaparegut.

Muó i neutrí tauònic: estudi de les seves oscil·lacions

També aquí es pot invocar el fenomen de les oscil·lacions: els neutrins electrònics no oscil·len en les condicions implicades, al contrari, els neutrins muònics oscil·len quan es propaguen a distàncies corresponents al diàmetre de la Terra, és a dir, 13.000 quilòmetres, per a energies al voltant de 1 GeV de mitjana. Això no és contradictori amb el resultat obtingut amb neutrins solars on l'energia detectada és molt menor, al voltant dels 10 MeV, i la distància infinitament més gran.

De fet, el paràmetre discriminant per a la probabilitat de l'oscil·lació és la relació entre la longitud recorreguda i l'energia. El nou resultat s'interpreta com el signe de l'oscil·lació del neutrí muònic cap al seu company tauònic. Aquest darrer resultat va ser confirmat posteriorment per un experiment construït en un feix accelerador on el coneixement detallat del feix permet anàlisis més rigoroses. L'experiment, encara en funcionament, analitza el feix de neutrins d'alta energia produïts al Fermilab prop de Chicago mitjançant un detector massiu situat a 730 quilòmetres de distància.

Veure:

- Capítol anterior: 3 Els neutrins solars
- Capítol següent: 5 La massa dels neutrins


Ho he vist aquí.

02/07/2023

Primera imatge de "partícules fantasma" a la Via Làctia

Des del visible fins a les ones de ràdio passant per infrarojos i fins i tot ultraviolats, la nostra Via Làctia, els científics ja l'han revelat des de tots els angles. O gairebé. Perquè els hi mancaven imatges. Una imatge única, velada de misteri, gairebé "fantasmal". La dibuixada pels neutrins.


Clic a l'imatge per engrandir. Una composició de la nostra Via Làctia vista per IceCube, que mostra per primera vegada els neutrins emesos per la nostra galàxia. Crèdit: IceCube Collaboration, U.S. National Science Foundation (Lily Le & Shawn Johnson), ESO (S. Brunier).
 
Mentre llegiu aquest principi de la frase, uns 200.000 milions neutrins hauran passat pel vostre cos a una velocitat propera a la de la llum. I va, uns 400 bilions més. No s'atura mai. Però, afortunadament, no té grans conseqüències. Perquè els neutrins només interactuen molt poc amb la matèria. Els físics de vegades fins i tot els anomenen "partícules fantasma". El problema és que també són molt difícils de detectar.
 
És per posar-hi remei que els investigadors van projectar IceCube. L'experiència és única. Un detector col·locat sobre el gel de l'Antàrtida, prop de la base Amundsen-Scott. O millor dit, no gaire lluny de 5.500 sensors enclavats en el gel, entre 1.450 i 2.450 metres de profunditat. El conjunt es va encarregar l'any 2010 amb l'esperança de detectar neutrins d'alt nivell d'energia. Comprèn amb energies de milions de milers de milions de vegades més grans que les que les reaccions de fusió nuclear que alimenten les estrelles poden arribar. 
 

Clic a l'imatge per engrandir. Aquí, IceCube contra un cel nocturn estrellat que mostra la Via Làctia i les aurores verdes. Crèdit: Yuya Makino, IceCube/NSF

Fins aleshores, IceCube només havia detectat neutrins extragalàctics. No obstant això, segons la teoria, les interaccions entre raigs còsmics i la pols galàctica produeix inevitablement tots dos raigs gamma i neutrins. I els investigadors havien observat prèviament els raigs gamma al pla de la nostra Via Làctia. Així que esperaven que la nostra galàxia també fos una font de neutrins d'alta energia. Finalment ho confirmen avui publicant un mapa inèdit de neutrins emesos des de l'interior de la Via Làctia.

Clic a l'imatge per engrandir. La nostra Via Làctia, a dalt en llum visible, i a sota, per primera vegada, dibuixada amb la tinta dels seus neutrins. Crèdit: Col·laboració IceCube, U.S. National Science Foundation (Lily Le & Shawn Johnson), ESO (S. Brunier).

Una cosa que no hem vist mai

Encara que els físics s'haguessin centrat en el centre de la nostra galàxia, el soroll de fons de muons i neutrins produïts per les interaccions dels raigs còsmics amb l'atmosfera terrestre suposava reptes importants. A les dades registrades per IceCube durant 10 anys, una mena de "punts de llum borrosos" van aparèixer en cascada. Taques generades pels neutrins. I utilitzant un algorisme d'aprenentatge automàtic que va comparar la posició, la mida i l'energia de més de 60.000 d'aquestes cascades de llum, els investigadors finalment van remuntar a les regions de la Via Làctia que se sospita que són la font de les emissions de neutrins.

La imatge produïda pels científics de la col·laboració d'IceCube és realment única. Perquè dibuixa el retrat de la nostra Via Làctia utilitzant partícules de matèria. On tots els altres es conformaven amb la radiació electromagnètica. I amb capacitats de detecció que encara no s'han acabat de perfeccionar, els físics esperen revelar cada cop més característiques de la nostra galàxia que mai abans havien estat vistes pels ulls humans.

Perquè els investigadors ens ho recorden, ampliant els seus mètodes a la radioastronomia o l'observació infraroja, ja han fet descobriments de vegades revolucionaris en el passat. Així, esperen poder ara, gràcies a la detecció de neutrins, accedir a aspectes del nostre Univers desconeguts fins ara. “Per això fem el que fem. Per veure coses que ningú ha vist mai i per entendre coses que ningú havia entès”, conclouen.

Perquè els investigadors ens ho recorden, ampliant els seus mètodes a la radioastronomia o l'observació infraroja, ja han fet descobriments de vegades revolucionaris en el passat. Així, esperen poder ara, gràcies a la detecció de neutrins, accedir a aspectes del nostre Univers desconeguts fins ara. “Per això fem el que fem. Per veure coses que ningú ha vist mai i per entendre coses que ningú havia entès”, conclouen.



Ho he vist aquí.

30/12/2019

La Teoria de Cordes: Una introducció detallada (I)

Durant la meva etapa com col·laborador d'Astroseti, que va durar uns quants anys, vaig compartir l'experiència de divulgar ciència -principalment  astronòmica- amb un grup de gent a on la gran majoria, eren i son, fantàstics divulgadors de continguts científics. Un d'ells és en Manuel Herman, aka Kanijo, que l'any 2007 va emprendre el vol en solitari, com hem anar fent d'altres amb major o menor fortuna. El cas es que en Manuel va crear un magnífic blog, anomenat Ciencia Kanija (CK), que va resultar ser també tot un referent en el mon científic en llengua castellana, caracteritzat pel seu interès, rigor i seriositat alhora d'aportar-hi els continguts. Després d'uns anys, va haver-ho de deixar per motius personals, i abans que pugui desaparèixer la seva feina i caure en l'oblit, he pensat que seria oportú compartir en català, uns interessants articles que posen una mica de llum sobre la Teoria de les Cordes, publicat a CK l'abril del 2007. Som-hi!

Introducció

La Teoria de Cordes, també coneguda amb els noms de "Teoria de Supercordes" i de vegades "Teoria M", és una idea que ha estat donant voltes durant força temps, unes dues dècades. És, al mateix temps, una continuació lògica de nocions teòriques establertes fa ja gairebé mig segle, i un nou i radical paradigma en la física fonamental.

Potser és aquesta paradoxal naturalesa de la Teoria de Cordes el que explica el per què atrau tanta atenció avui dia. Els desenvolupaments en aquest àmbit han arribat a la portada dels diaris més d'una vegada en els últims anys, tot i no tenir una prova experimental directa que la Teoria de Cordes és la teoria fonamental de la natura.

Per apreciar el que la Teoria de Cordes proposa aconseguir i com intenta aconseguir aquestes propostes, cal recordar la present formulació de la física de partícules elementals i camps. Després de revisar els principis bàsics de la física de partícules, passarem a la descripció dels fonaments de la Teoria de Cordes en termes no tècnics. 

Partícules elementals i camps

Considera la força familiar de l'electromagnetisme. En el nivell més simple (aplicable a molts fenòmens a escales de distància quotidianes) està descrit per un camp clàssic. En aquest marc, un imant exerceix una força sobre un altre imant atès que cada un d'ells és una font de camp electromagnètic, impregnant tot l'espai però fent-se més feble com més llunyana és la distància a la font. El camp no necessita d'un mitjà en què recolzar-se, i pot imaginar-se com una pertorbació del buit. Postular l'existència de tal camp, subjecte a les equacions d'ona, explica, d'una forma unificada, tots els fenòmens associats a l'electricitat i magnetisme en un punt.

La Teoria de Camps de Electromagnetisme Clàssica col·lapsa a distàncies molt curtes, o en presència de camps molt forts. Això fa necessari assumir que aquest camp no és només un nombre en cada punt de l'espai i temps, sinó un operador quàntic, que té propietats matemàtiques definides però bastant complicades. El camp quàntic es redueix al clàssic sota les circumstàncies habituals, però difereix notablement d'aquest en alguns règims de distància o energia.

En la Teoria Quàntica, un camp no és només una cosa associada a ones, sinó també relacionat amb les partícules per virtut de la ben coneguda dualitat ona-partícula. Una partícula elemental és un tipus d'excitació coherent d'un camp quàntic. Així doncs, el camp electromagnètic ha de ser associat a una partícula fonamental que es trobi en la natura. De fet, tal partícula existeix i se la coneix com fotó. Una imatge intuïtiva d'una interacció electromagnètica, com és descrita per la Teoria Quàntica, és que el que fa de camp és intercanviat entre els objectes que interactuen. Així doncs, un parell d'imants, quan s'aproximen l'un a l'altre, intercanvien fotons, i és aquest intercanvi el que condueix la força entre ells. Es podria dir que l'existència del fotó està predita per l'existència d'interaccions electromagnètiques quàntiques.


Extraordinàriament, totes les interaccions que es necessiten per explicar la Química (i, fins on coneixem, la Biologia) són electromagnètiques per naturalesa. Els àtoms interactuen electromagnèticament per formar molècules i compostos. D'alguna manera, per tant, podríem afirmar que l'electromagnetisme (el qual està correctament descrit per la Teoria de Camps Quàntics) és una "Teoria Unificada de la Química". Això no redueix de cap manera la importància de la investigació química!. De vegades, la Teoria Unificada subjacent no és l'eina més pràctica per respondre a les preguntes que els químics volen fer. Però tot i així és profundament satisfactori estar segurs que l'electromagnetisme és la teoria completa que en principi subjau i unifica tots els fenòmens químics. Tindrem més a dir sobre la idea de Teoria Unificada en el que segueix.

Com l'electromagnetisme, cada interacció fonamental ha de tenir la seva pròpia partícula intermediària. Precisament les tres altres classes d'interaccions fonamentals que coneixem. Una d'elles és la familiar força gravitatòria, mentre que les altres dues són forces nuclears que només van ser descobertes en aquest segle (dit del Segle XX, l'article és de 1999): les forces "nuclear forta" i la "nuclear feble". La primera és, en particular, responsable de mantenir units als protons i neutrons que conformen el nucli d'un àtom, mentre que l'altra és una força totalment diferent i dóna lloc a fenòmens com la descomposició atòmica. La força feble és l'única que viola la simetria esquerra-dreta o paritat. La gravitació, com l'electromagnetisme, és una força de llarg abast, aquesta és la raó per la qual es coneixen des de fa temps. Les dues forces nuclears dèbils són de curt abast, i, per tant, no són observades comunament a les escales quotidianes.

Per tant, podem preguntar quina és la partícula elemental associada a cadascuna d'aquestes interaccions. Per a la gravitació, associem el "gravitó", una partícula que no ha estat observada directament però que es pensa que existeix. Per la força nuclear forta associem un conjunt de partícules anomenades "gluons" a causa de les seves propietats d'unió similars a la cola (de "glue", cola en anglès), i per la força nuclear feble associem un altre conjunt de partícules anomenades "bosons W i Z". Hi ha proves de pes per a l'existència dels gluons, mentre que els bosons W i Z produïts en els acceleradors s'han observat directament. Segons això, tenim llavors un resum de totes les forces fonamentals i els portadors d'aquesta força coneguts o que creiem que existeixen avui dia, vegeu la taula següent.


Clarament aquesta no és tota la història de les partícules fonamentals. Les partícules com els electrons i els neutrins experimenten una o més de les forces descrites més amunt, però no són en si mateixes portadores. Es pensa en elles com partícules materials (encara que fotons i gluons no són veritablement immaterials). Les partícules materials són usualment els fermions, partícules amb un moment angular intrínsec (espín) que és semi-enter a les unitats adequades. Els portadors de les forces com els fotons i gravitons són bosons partícules que porten un espín sencer. De fet, tots els portadors de forces excepte el gravitó tenen espín 1 en unitats de la Constant de Planck, mentre que el gravitó té espín 2. Aquesta curiosa diferència entre el gravitó i altres portadors de forces és d'alguna manera el responsable de la importància de la Teoria de Cordes, com veurem aviat.

La Teoria de Camps Quàntics, llavors, és un marc de treball matemàtic per a descriure les interaccions entre els portadors de forces i les partícules materials. En aquest domini d'aplicabilitat, hi ha hagut un rotund èxit. Els processos de dispersió que tenen lloc quan un electró xoca amb un altre, per exemple, pot ser descrit amb gran precisió usant aquest marc de treball. Estem tractant amb una cosa completament bàsica, una interacció entre partícules indivisibles degut a forces fonamentals que no tenen un origen més profund fins a on coneixem.

Algunes dificultats al llarg del camí

Hi ha dos problemes en aquesta història, un aparentment estètic i un altre aparentment tècnic. Però com totes les autèntiques dificultats trobades en la història de la investigació científica, aquestes semblen apuntar un camí cap a un futur que és una extensió espectacularment rica de el present.

La dificultat estètica és gairebé òbvia fins i tot per a una persona comuna. En una teoria fonamental amb cap explicació més profunda, per què hauria d'haver tal quantitat de forces fonamentals i partícules materials? Electrons, muons, neutrins, quarks, bosons W, gluons, gravitons ... la llista és bastant llarga i la col·lecció completa de partícules comença a semblar-se a un zoo. Això és inquietant si es suposa que aquestes partícules són els últims constituents de la matèria.

La dificultat tècnica és més difícil d'explicar, però té la seva arrel en un simple fet. La descripció matemàtica de les partícules d'espín 1, encara que extremadament intricat, és per ara força ben coneguda gràcies a l'enginyós treball dels físics dels anys 60 i 70. A nivell clàssic, va començar amb la famosa equació de Maxwell per l'electromagnetisme, i seva generalització en 1954 a causa de Yang i Mills. (Juntes, totes aquestes teories són de vegades anomenada Teoria de Gauge). La corresponent Teoria Quàntica va ser formulada per l'electromagnetisme per Feynman, Schwinger i Tomonaga en els anys 40, i per a la generalització de Yang-Mills per 't Hooft i Veltman en els anys 70. (Aquests èxits són punts de referència: Feynman et. al. van rebre el Premi Nobel el 1965, mentre que 't Hooft i Veltman van ser guardonats amb el Premi Nobel a l'octubre de 1999, fins i tot quan aquest article estava sent acabat).

L'electromagnetisme quàntic descriu el fotó i la seva interacció amb partícules carregades, mentre que la Teoria Quàntica de Yang-Mills descriu els bosons W i Z i els gluons (els portadors de les forces nuclears forta i feble) i les seves interaccions. La combinació de totes aquestes teories conformen una única teoria major anomenada el "Model Estàndard" d'interacció de partícules, el qual és una Teoria Quàntica Gauge. És més, el Model Estàndard predeia l'existència de bosons W i Z abans que es trobessin. També prediu una partícula anomenada "bosó de Higgs" que encara no ha estat descoberta (recordem que l'article és de 1999).

El lector haurà notat que el Model Estàndard, com descrivim a dalt, no inclou al gravitó i les seves interaccions. Això és degut al fet que el gravitó, per tenir espín 2, no està descrit per una Teoria Gauge. De fet, sabem quina és la teoria clàssica corresponent a la interacció gravitatòria: és la llegendària Teoria de la Relativitat General d'Einstein. La dificultat tècnica és que no tenim una Teoria Quàntica corresponent. Malgrat el nostre èxit amb les partícules d'espín 1 (expressades en Teories Gauge), fins a la data tots els intents per formular una Teoria Quàntica per partícules d'espín 2 a la mateixa línia han fallat. Si una teoria fonamental de totes les interaccions podria ser coneguda com "Teoria de el Tot", llavors el Model Estàndard és una altament reeixida i experimentalment comprovada teoria de "tres quarts de el tot" (atès que incorpora tres de les quatre interaccions fonamentals). Encara que això és impressionant, vol dir que el Model Estàndard no és, clarament, la teoria final.

La raó per la qual el Model Estàndard és útil tot i l'absència de gravetat és que la força de les interaccions gravitatòries depèn de les masses dels cossos gravitatoris involucrats. Per partícules elementals, la força gravitatòria entre elles és tan petita que no es pot apreciar per observació directa. D'aquí que sigui menyspreable per a efectes pràctics, i la nostra ignorància d'una Teoria Quàntica de la Gravetat no és un impediment per verificar el Model Estàndard per comparació amb experiments.

No obstant això, sense gravetat el Model Estàndard està seriosament incomplet. Aquí és on la Teoria de Cordes apareix en escena.

Continua al capítol 2.

Autor de l'original Sunil Mukhi
Traducció de l'anglès: Manuel Herman
Traducció al català: Sci-Bit

13/01/2020

La Teoria de Cordes. Una introducció detallada (i IV)

Per apreciar el que la Teoria de Cordes proposa aconseguir i com intenta aconseguir aquestes propostes, cal recordar la present formulació de la física de partícules elementals i camps. Després de revisar els principis bàsics de la física de partícules, passarem a la descripció dels fonaments de la Teoria de Cordes en termes no tècnics.

Partícules elementals i camps

Considera la força familiar de l'electromagnetisme. En el nivell més simple (aplicable a molts fenòmens a escales de distància quotidianes) està descrit per un "camp clàssic". En aquest marc, un imant exerceix una força sobre un altre imant atès que cada un d'ells és una font de camp electromagnètic, impregnant tot l'espai però fent-se més feble com més llunyana és la distància a la font. El camp no necessita d'un mitjà en què recolzar-se, i pot imaginar-se com una pertorbació del buit. Postular l'existència de tal camp, subjecte a les "equacions d'ona", explica, d'una forma unificada, tots els fenòmens associats a l'electricitat i magnetisme en un punt.


La Teoria de Camps de Electromagnetisme Clàssica col·lapsa a distàncies molt curtes, o en presència de camps molt forts. Això fa necessari assumir que aquest camp no és només un nombre en cada punt de l'espai i temps, sinó un "operador quàntic", que té propietats matemàtiques definides però bastant complicades. El camp quàntic es redueix al clàssic sota les circumstàncies habituals, però difereix notablement d'aquest en alguns règims de distància o energia.

En la Teoria Quàntica, un camp no és només una cosa associat a ones, sinó també relacionat amb les partícules per virtut de la ben coneguda dualitat ona-partícules. Una partícula elemental és un tipus d'excitació coherent d'un camp quàntic. Així doncs, el camp electromagnètic ha de ser associat a una partícula fonamental que es trobi en la natura. De fet, tal partícula existeix i se la coneix com "fotó". Una imatge intuïtiva d'una interacció electromagnètica, com és descrita per la Teoria Quàntica, és que el que fa de camp és intercanviat entre els objectes que interactuen. Així doncs, un parell d'imants, quan s'aproximen l'un a l'altre, intercanvien fotons, i és aquest intercanvi el que condueix la força entre ells. Es podria dir que l'existència del fotó està predita per l'existència d'interaccions electromagnètiques quàntiques.

Extraordinàriament, totes les interaccions que es necessiten per explicar la Química (i, fins on coneixem, la Biologia) són electromagnètiques per naturalesa. Els àtoms interactuen electromagnèticament per formar molècules i compostos. D'alguna manera, per tant, podríem afirmar que l'electromagnetisme (el qual està correctament descrit per la Teoria de Camps Quàntics) és una "Teoria Unificada de la Química". Això no redueix de cap manera la importància de la investigació química! De vegades, la Teoria Unificada subjacent no és l'eina més pràctica per respondre a les preguntes que els químics volen fer. Però tot i així és profundament satisfactori estar segurs que l'electromagnetisme és la teoria completa que en principi subjacent i unifica tots els fenòmens químics. Tindrem més a dir sobre la idea de Teoria Unificada en el que segueix. 

Com l'electromagnetisme, cada interacció fonamental ha de tenir la seva pròpia partícula intermediària. Precisament les tres altres classes d'interaccions fonamentals que coneixem. Una d'elles és la familiar força gravitatòria, mentre que les altres dues són forces nuclears que només van ser descobertes en aquest segle (referit al Segle XX, l'article és de 1999): les forces "nuclear forta" i la "nuclear feble". La primera és, en particular, responsable de mantenir units als protons i neutrons que conformen el nucli d'un àtom, mentre que la següent és una força totalment diferent i dóna lloc a fenòmens com la descomposició atòmica. La força feble és l'única que viola la simetria esquerra-dreta o paritat. La gravitació, com l'electromagnetisme, és una força de llarg abast, aquesta és la raó per la qual es coneixen des de fa temps. Les dues forces nuclears dèbils són de curt abast, i, per tant, no són observades comunament a les escales quotidianes.

Per tant, podem preguntar quina és la partícula elemental associada a cadascuna d'aquestes interaccions. Per a la gravitació, associem el "gravitó", una partícula que no ha estat observada directament però que es pensa que existeix. Per la força nuclear forta associem un conjunt de partícules anomenades "gluons" a causa de les seves propietats d'unió similars a la cola (de "glue", cola en anglès), i per la força nuclear feble associem un altre conjunt de partícules anomenades "bosons W i Z". Hi ha proves de pes per a l'existència dels gluons, mentre que els bosons W i Z produïts en els acceleradors s'han observat directament. Segons això, tenim llavors un resum de totes les forces fonamentals i els portadors d'aquesta força coneguts o que creiem que existeixen avui dia.

Les cinc teories de cordes

Els intents inicials per compactar aquestes cinc teories a 4 dimensions van afavorir fortament a la corda heterótica I (8) x E (8). Amb les cordes SO (32) (heterótica i de Tipus I) la violació de paritat natural en 10 dimensions sembla ser destruïda per compactació, per tant la teoria resultant en 4 dimensions podria no descriure el món real, en el qual hi ha violació de paritat. Això era també cert per a cordes del Tipus IIB. D'altra banda, la Teoria de Tipus IIA té ja conservació de la paritat en 10 dimensions, i pel que sabíem fins fa poc sobre compactació, aparentment no podria induir violació de paritat. El quadre modern és considerablement diferent. Les cinc Teories de Cordes estan en realitat connectades unes amb altres, per tant d'alguna manera, són diferents límits d'una mateixa teoria. Aquesta única teoria no s'entén encara perfectament, però pot portar-nos a una violació de paritat en 4 dimensions. Així doncs, el que una Teoria de Cordes compactifiqui depèn de la conveniència de cada un: efectes que són complexos d'estudiar en una formulació són molt més senzills en la teoria dual.

La dilació

Mereixen discussió algunes altres propietats de les Teories de Supercordes. Una d'elles és la que fa a la qüestió de l'acoblament constant de la teoria. Les Teories de Camp Quàntic normalment contenen un paràmetre ajustable el qual determina la força de les interaccions. En realitat, com vam veure en una secció prèvia, aquest paràmetre depèn de l'escala d'energia a la qual té lloc la interacció. Aquesta pot ser petita a algunes energies i gran en altres, per exemple en la Teories de Interaccions Fortes el paràmetre és gran a baixes energies, portant a un confinament permanent dels quarks dins de les partícules com protons i neutrons, mentre que és feble a altes energies, portant a un dibuix en què el els protons i neutrons es fabriquen per quarks pràcticament sense interacció. Aquest "flux" de l'acoblament amb l'escala d'energia és característic de la majoria de Teories de Camps Quàntics on tenen lloc infinits en el càlcul d'amplituds disperses. No obstant això, la Teoria de Supercordes està lliure d'infinits donat la naturalesa extensa de les cordes. D'aquesta manera s'esperaria que la Teoria de Cordes contingués un acoblament constant que és un nombre fix, el qual hem de determinar per comparació amb els experiments.

El que succeeix a la pràctica és bastant diferent. En lloc d'un acoblament constant, totes les Teories de Cordes tenen una partícula escalar que governa la força de les interaccions. Tècnicament, el camp associat a aquestes partícules pot tenir un valor constant definit en un "buit" donat de la teoria, i aquest valor actua com l'acoblament constant. Aquesta és una meravellosa propietat atès que suggereix que la força de les interaccions de les cordes podria d'alguna manera estar determinat de manera auto-consistent per la teoria a lligar d'una entrada experimental. Això podria potencialment contestar un profunda qüestió plantejada per Dirac i altres: en electrodinàmica, per què el que fa de la càrrega elèctrica té un valor aproximadament igual a l'arrel quadrada de, que es pot obtenir experimentalment? 

Al nostre actual nivell de coneixement, encara que sabem que la dilació és present en totes les Teories de Cordes i que determina la força d'interacció, encara no sabem com determinar el valor que pren el camp en el buit. És més, a causa de la supersimetria, el valor sembla ser indeterminat i pot ser qualsevol que vulguem, la qual cosa és gairebé com prendre un paràmetre numèric lliure en la teoria. No obstant això, a baixes energies, esperem que la supersimetria es trenqui. En aquesta situació, el valor del buit per a la dilació podria quedar determinat. Comprendre això és un dels objectius que els teòrics de cordes esperen aconseguir en el futur.

 Camps Gauge de Tensors

Esmentem que les Teories de Cordes de Tipus II tenen exòtics "camps gauge de tensors" el paper va ser misteriós durant molt de temps. Tot i que el paper de tals camps no s'aclarirà en el present article, és important per comprendre la dualitat de cordes. Aquí ens centrarem en un camp tensor en particular el qual està present en realitat -encara que no ho hàgim esmentat fins ara- en les cinc Teories de Cordes. Aquest és l'anomenat "camp tensor de segon ordre", el qual és com un fotó però amb un índex de vector extra sota transformacions de Lorentz. Sota transformacions de Lorentz, el fotó (indicat com A) es transforma com un vector, diferent de camp tensor (indicat com B) que és ubic en la Teoria de Cordes, el qual es transforma com el producte de dos vectors, d'aquí que es conegui com "tensor de segon ordre". La pregunta que volem fer és bastant simple: així com una partícula puntual (com l'electró) pot carregar-se sota el camp d'un fotó, hi ha algun objecte dinàmic en la Teoria de Cordes que estigui "carregat" sota B? Això és important, ja que tal càrrega pot ajudar a dotar un objecte d'estabilitat. A la vida real, els electrons són estables a causa de que transporten la mínima unitat de càrrega elèctrica i són els objectes carregats de tal tipus més lleugers. A causa de la conservació de la càrrega, no hi ha, a més, res en el que puguin decaure! Atès que B està present en totes les Teories de Cordes, es podria sospitar que aquesta també està dotada d'algun encara apropiat objecte dinàmic carregat amb aquesta propietat d'estabilitat. 

La resposta resulta ser meravellosament simple: els objectes que porten càrregues sota un camp tensor de segon ordre són cordes. Així és, en totes les Teories de Cordes Tancades (tipus IIA, IIB i les dues cordes heteròtiques) les cordes fonamentals porten càrregues unitàries sota B i això a més es garanteix que és estable.

L'argument que porta a aquesta conclusió és bastant simple. En la mecànica quàntica, una partícula carregada té un terme acoblat EA integrat al llarg de la trajectòria (anomenada "línia del món" en teories relativistes) de la partícula. Aquí, i és el que fa de càrrega elèctrica, i pot escollir-se que sigui 1 en les unitats adequades. En la Teoria de Cordes Tancades, es troba que les cordes fonamentals tenen una interacció anàloga que consisteix a B integrat sobre la seva trajectòria, la qual cosa és bidimensional donat que la corda mateixa té una extensió espacial i es propaga en el temps. Aquesta interacció ens diu que la corda fonamental porta la unitat de càrrega sota aquest camp gauge de tensors i que a més és estable. La situació és més delicada per Teories de Cordes Obertes, per tant no les tractarem aquí.

Condicions de frontera per a cordes obertes

La propietat final de la Teoria de Cordes de 10 dimensions que volem discutir aquí són les condicions de frontera a les cordes obertes. Al contrari que en les cordes tancades, les cordes obertes tenen extrems, i això significa que al definir la configuració espacial de la corda, hem de definir les condicions de frontera en aquests extrems. L'elecció més natural seria permetre que aquests extrems es localitzessin en qualsevol punt de l'espai. En efecte, aquesta és l'única opció compatible amb la invariància de translació i la invariància de Lorentz en 10 dimensions. Si "ancorem" aquests extrems d'alguna manera, distingiríem alguna de les 9 dimensions espacials d'altres. Matemàticament, les condicions de frontera que permeten que els extrems d'una corda estigui localitzada en qualsevol punt de l'espai, i així doncs satisfer la invariància de Lorentz, són anomenades condicions de frontera de Neumann, conegut per l'estudi d'equacions diferencials en espais amb frontera. Les alternatives condicions de frontera de Dirichlet, les quals restringeixen als extrems de les cordes a caure en superfícies definides de l'espai, són clarament incompatibles amb la invariància de translació i de Lorentz, i poden mantenir-major part d'aquestes invariàncies.

No obstant això, les condicions de frontera de Neumann (les quals durant molt de temps van ser considerades com les úniques raonables per a cordes obertes) van resultar ser massa restrictives i perdien alguns profunds fenòmens dinàmics de la Teoria de Cordes. La raó és la següent. Considera una Teoria de Camp Quàntic ordinària de partícules puntuals. Encara que la teoria subjacent té invariància de translació i de Lorentz, els estats individuals de la teoria no la tenen. Per exemple, encara que l'estat de buit d'aquesta teoria és invariant en translació, la teoria també té estats de partícules úniques i de partícules múltiples en el seu espectre. Aquests estats involucren partícules localitzades en posicions fixes (per exemple, imagina l'estat d'una partícula individual en repòs en un punt definit). No és sorprenent que aquest estat trenqui la invariància de translació.

A més es podria imaginar que si assignem condicions de frontera per a cordes obertes que violin les invariàncies de translació i de Lorentz, obtenim un estat definit de la teoria, diferent de l'estat de buit. Això resulta ser cert, i té una varietat de conseqüències profundes i meravelloses. Suposa com en el primer exemple, que assignem condicions de frontera de Dirichlet als extrems d'una corda oberta, al llarg de les 9 coordenades espacials (x1, x2, ..., x9). Això limita a l'extrem de la corda a caure en una posició de l'espai, mentre la resta de la corda és lliure de fluctuar. Per exemple, podem restringir l'extrem a caure en l'origen d'algun sistema de coordenades. Llavors aquests punts es converteixen en "especials", i efectivament es comporta com una partícula puntual. Per exemple, trenca les invariànces de translació i de Lorentz exactament de la mateixa manera que ho faria un estat de partícula puntual és una teoria de camp de 10 dimensions. Però aquest estat no és una de les excitacions similars a les partícules puntuals d'una corda tancada que hem discutit! És més aviat al contrari, és un objecte definit per la propietat de que les cordes obertes acaben en ell. D'això resulta que es pot assignar una massa i càrrega definida a tal objecte, i que aquest es comporta just com una partícula elemental. Aquesta és la comunament anomenada "partícula D", on la "D" és un recordatori que sorgeix assignant condicions de frontera de Dirichlet per als extrems de les cordes obertes.

Fins aquí hem discutit dues possibles condicions de frontera: Neumann a les 9 direccions, o Dirichlet en les 9 dimensions. Podem postular fàcilment un híbrid entre les dues, segons Neumann en 2 direccions i Dirichlet en les altres 7. Això correspon a una corda oberta que està "clavada" sobre una superfície espacial bidimensional. Llavors, igual que per la partícula D, estarem forçat a interpretar la superfície completa com a objecte dinàmic que s'estén en dues direccions espacials, conegut comunament com a membrana. A més, només assignant aquestes condicions de frontera, hem produït un estat quàntic de la Teoria de Cordes que s'estén en l'espai com una membrana. Un tema diferent és si la membrana és estable. Ho serà si està carregada sota algun camp gauge generalitzat, igual que la corda era estable a causa de la seva càrrega sota el camp de tensors de segon ordre. Efectivament, és senzill veure que una membrana pot estar carregada sota un camp de tensors de tercer ordre, a causa de que la trajectòria de la membrana té una superfície tridimensional en l'espai-temps. Això té lloc en la Teoria de cordes de tipus IIA, on en efecte, l'espectre conté un camp de tensors de tercer ordre. D'aquí que la Teoria de Cordes de tipus IIA no sigui només una teoria de partícules i cordes, sinó també de membranes.

Això es pot generalitzar fàcilment si assignem p condicions de frontera Neumann i 9-p Dirichlet. L'estat corresponent s'estén en p direccions espacials i és anomenat p-brana de Dirichlet, o Dp-brana per escurçar.

 Corda oberta acabant en una p-brana de Dirichlet

Aquest tipus d'objecte pot ser difícil de visualitzar en el nostre estret món de només 3 dimensions espacials, però té molt espai per propagar-se en 9 dimensions espacials!. Fins aquí veiem que les Teories de Cordes no són només Teories de Cordes. Contenen d'una forma molt natural, objectes estesos anomenats branes en el seu espectre. Nota que entre altres coses, les D-branes proveeixen una explicació del paper dels exòtics camps gauge de tensors en les Teories de Cordes de Tipus II: doten a les branes d'estabilitat.

En l'estudi de la Teoria de Cordes, les branes resulten ser tan importants com les cordes, de fet, es podria dir que una corda fonamental és només un tipus especial de p-brana amb p = 1. S'hauria de tenir cura, però , en adonar-se que la corda fonamental no és una brana de Dirichlet com l'hem definit. Està postulada des del principi, i no definida en termes sinó alguna cosa en el que acabar. Les branes de Dirichlet són especials precisament perquè estan definides a través de cordes fonamentals que acaben en elles. Això ens permet estudiar-les usant tècniques comunes de Teoria de Pertorbació de Cordes.

Compactació

Finalment, tornem a les relacions entre el món de 10 dimensions descrit a dalt, (amb 9 dimensions espacials i una temporal) i el món real de 4 dimensions en què habitem (3 dimensions espacials i una temporal). El requeriment clau és que les dimensions espacials amb les que vam començar no haurien de ser observables físicament. En l'esperit de Kaluza i Klein, hem d'assumir a més que 6 dimensions espacials estan "enrotllades" sobre si mateixes, mentre que les 3 restants s'estenen fins a l'infinit (o al menys a distàncies molt grans). El concepte d'"espai" està enquadrat en la noció de "varietat", cosa que localment sembla l'espai comú però pot tenir curvatures i altres propietats no trivials. En particular, una varietat que estigui "corbada" de la manera que desitgem es coneix com "compacte". Així doncs, la forma més senzilla de connectar la Teoria de Cordes amb el món real és postular que 6 dimensions espacials formen una varietat compacta, la grandària és tan petita que no som capaços de detectar la seva existència directament amb les investigacions disponibles.

Les investigacions teòriques d'aquest escenari de compactació han revelat una rica connexió amb la branca de les matemàtiques que coneixem com Geometria Algebraica. La connexió sembla haver estat útil en ambdues direccions, mentre que els resultats coneguts a les matemàtiques no ajuden a tenir major coneixement de les varietats que poden ser potencialment rellevants per a la Teoria de Cordes, la configuració de la Teoria de Cordes també va provar ser útil per extreure nous resultats matemàtics (no tenim temps per entrar en detalls). Una classe especial de varietat de 6 dimensions amb propietats molt especials, coneguda com a varietat de Calabi-Yau, va resultar tenir propietats que, quan s'usen com la varietat de compactació en Teoria de Cordes, ens porten a temptadores teories realistes en 4 dimensions espai-temporals. El contingut i dinàmica de la partícula detallada en una teoria de 4 dimensions depenen de l'elecció de la varietat de Calabi-Yau, per tant no és com si la varietat fos completament inobservable. De fet, d'aquesta manera nosaltres ens ho cuinem i ens ho mengem, la varietat de Calabi-Yau seria responsable del "zoo" de partícules elementals observades en el món real, però no seria observable directament com una col·lecció de dimensions espacials extra, alguna cosa bona atès que tals dimensions extra encara no han estat observades, fins ara.

Inicialment, la classe de teories més realista es va trobar es va trobar començant amb la corda heterótica I (8) x E (8) en 10 dimensions i compactant-la en una varietat de Calabi-Yau adequada. Per exemple, d'aquesta manera es poden recuperar les teories en 4 dimensions amb grups gauge prou grans com per incloure'ls en els grups SU (3), SU (2) i U (1) associats al model estàndard (i no gaire més portaria a interaccions addicionals no observades). La teoria de quatre dimensions viola la paritat, ja que la corda heterótica subjacent viola la paritat i el procés de compactació en aquest cas no elimina la violació de paritat. A més de les partícules gauge, hi ha partícules materials (fermions) que qualitativament tenen la classe adequada de "números quàntics" per ser identificats amb els fermions coneguts a la natura, com ara electrons, muons, neutrins, quarks, etc. I, per descomptat, tenim la gravetat en quatre dimensions, atès que les Teories de Cordes descriuen la gravetat en 10 dimensions i la compactació no destrueix aquesta propietat.

A un nivell ampli, aquesta és una prova convincent que estem sobre la pista correcta. No obstant això, es mantenen una varietat de problemes. Per exemple, per raons associades amb el problema jeràrquic endèmic en la gran unificació, les compactacions que han estat afavorides donen lloc a una Teoria supersimètrica en 4 dimensions. Però això encara deixa oberta la pregunta de com i per què es trenca la supersimetria a baixes energies per donar lloc al món aparentment no supersimètric en què vivim. A més d'això, les partícules elementals més lleugeres que sorgeixen d'oscil·lacions de cordes de fet no tenen prou en 10 dimensions, i aquestes donen lloc a una multitud de partícules exactament sense massa en 4 dimensions després de la compactació. Això contrasta de forma poc favorable amb la realitat, l'única partícula exactament sense massa al món, fins on coneixem, són els fotons i gravitons. L'electró del món real no té massa zero, mentre que l'electró derivat de la corda (encara que té la càrrega apropiada així com altres nombre quàntics) és aparentment no massiu. Es creu que les masses per a aquestes partícules apareixeran un cop es trenqui la supersimetria, però els detalls d'aquest procés estan lluny de comprendre.

Tot i que la compactació com esbossem abans, roman com un important mecanisme per extreure la física del món real de la Teoria de Cordes, és notable assenyalar que alguns altres mecanismes s'han proposat només en els últims tres o quatre anys, sobre com extreure el contingut del model estàndard de la Teoria de Cordes. Algunes d'aquestes noves idees diuen superar el problema jeràrquic i altres problemes associats a la compactació convencional que apuntem de manera aproximada més amunt. No obstant això, encara no ens hem decidit sobre aquests competidors, i per tant ara no és el moment més adequat per revisar aquestes noves idees. En dos o tres anys hauria d'estar molt més clar si està clar o no un escenari detallada, consistent i tractable per connectar la Teoria de Cordes amb el món real.


Un problema íntimament relacionat en la connexió de la Teoria de Cordes amb la natura és el problema de la "constant cosmològica". La Teoria de la Gravetat admet un paràmetre que a grans trets descriu l'energia total del buit. La presència de aquest paràmetre tindria conseqüències observables espectaculars i afectaria la raó de l'expansió de l'Univers. Això ens permet posar un límit molt estricte al valor real el paràmetre a partir d'experiments. Com una Teoria de la Gravetat fonamental, la Teoria de Cordes hauria de predir el valor d'aquest paràmetre,  però en lloc d'això, ens diu alguna cosa bastant insatisfactori sobre ell.

En la Teoria de Supercordes, mentre que no es trenqui la supersimetria, la constant cosmològica és exactament zero a causa de la cancel·lació produïda pels bosons i fermions. S'ha pensat durant molt temps que això era consistent amb els experiments (recentment s'ha suggerit que, en efecte, el paràmetre ha de ser diferent de zero però extremadament petit). Però el problema és que la supersimetria es trenca en el món real, i després de la ruptura de la supersimetria la constant cosmològica pren generalment un valor diferent de zero i extremadament gran, aproximadament 100 ordres de magnitud per sobre del límit experimental!. Això és un altre problema jeràrquic. El problema no és específic de la Teoria de Cordes, sinó més bé, està en la Teoria de Cordes, com el primer candidat seriós per a una Teoria de la Gravetat Quàntica, de la qual esperem una solució correcta, i que encara no ha arribat, tot i que de nou, hi ha una gran quantitat de noves idees en els últims anys.

Conclusions importants

Hi ha hagut una investigació qualitativa d'algunes característiques elementals de la Teoria de Cordes. S'ha focalitzat durant molt de temps en les propietats que s'han conegut durant una dècada, i les quals són descrites com "Teoria perturbativa de Cordes". Malgrat això, des de 1994, han tingut lloc importants avanços en la Teoria de Cordes no-perturbativa.

La física no-perturbativa és l'estudi dels efectes físics que no poden descriure en termes d'ordre a ordre o de petits acoblaments constants. Un efecte no perturbatiu típic és la unió de dues partícules, per exemple un electró i un positró, per formar una nova partícula, en aquest cas el positroni. Per a una força d'interacció zero no hauria unió, la qual cosa és físicament molt diferent de la valor real on la unió és possible. Això significa, com hauria de ser obvi, que no es pot aproximar un estat de frontera en termes de partícules sense frontera. L'absència de coneixement sobre els efectes no pertorbatius en la física teòrica vol dir que la teoria, fins i tot si és correcta, està seriosament incompleta i no pot ser usada per a estudiar fenòmens importants que és el que s'intenta descriure.

Amb la present formulació de la Teoria de Cordes (comparada amb la Teoria de Camps Quàntics) estem en aquest cas. Tot i que no hem superat aquesta seriosa incompletesa, una nova aproximació a la Teoria de Cordes ens ha ajudat a fer importants incursions en el territori no perturbatiu. La tècnica clau ha estat fer servir consistència interna i triar simulacions com a evidències per afirmar la veritat de certes conjectures sobre l'estructura no pertorbativa. Aquesta aproximació ha destapat el paper de noves simetries anomenades "dualitats" en la Teoria de Cordes.


Bibliografia Per un article introductori com aquest, és apropiat citar només uns pocs llibres clau més que els articles d'investigació originals. El lector comú es beneficiarà dels capítols introductoris d'aquests llibres, mentre que els lectors més avançats trobaran una llista de referències tècniques en ells.
* "Superstring Theory", MB Green, JH Schwarz and E. Witten, Cambridge University Press (1987).
* "String Theory", J. Polchinski, Cambridge University Press (1998).
* "Gauge Fields and Strings", AM Polyakov, Harwood Academic, 1987.
* "Lectures on String Theory", Sr. Lust and S. Theisen, Springer-Verlag, 1989 (Lecture Notes in Physics, 346).
* "Introduction to Superstring Theory", I. Kiritsis, Leuven Univ. Press, 1998 (Leuven Notes in de Matemàtiques and Theoretical Physics, Vol. 9).
Sobre l'autor:

Sunil Mukhi va néixer a Bombai l'any 1956. És membre de l'Institut Tata per a Investigació Fonamental a Mumbai, Índia, al Departament de Física Teòrica. Les seves investigacions tracten sobre les partícules elementals de la física, més específicament Teoria de Camps Quàntics i Teoria de Cordes.

Anar al capítol 3.
Anar al capítol 1



Autor de l'original Sunil Mukhi
Traducció de l'anglès: Manuel Hermán
Traducció al català: Sci-Bit