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  • Abril 2019Nº 511

Física teórica

El código oculto de las partículas

Nuevas herramientas matemáticas prometen revolucionar la manera de hacer cálculos en física de partículas.

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El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN es la mayor máquina jamás construida por el ser humano. En ella los protones se aceleran hasta alcanzar el 99,999999 por ciento de la velocidad de la luz. Cuando chocan, se descomponen en sus constituyentes básicos (quarks y gluones) y se crean partículas que antes no estaban ahí. Fue así como, en 2012, el LHC logró producir el bosón de Higgs, la última partícula que faltaba por encontrar de todas las predichas por el modelo estándar. Pero ahora los físicos esperan hallar algo genuinamente nuevo: partículas no contempladas por la teoría que, por ejemplo, expliquen la materia oscura u ofrezcan soluciones a otras preguntas. Esta tarea implica examinar los 30 petaoctetos de datos anuales que genera el LHC e identificar posibles desviaciones con respecto a las predicciones del modelo estándar. Sin embargo, todo ello será inútil si no sabemos con exactitud qué predice la teoría.

Es aquí donde entra mi trabajo. Las preguntas que le hacemos al LHC son probabilísticas: ¿con qué frecuencia dos protones rebotarán?, ¿cuál es la probabilidad de producir un bosón de Higgs? Para responderlas hemos de calcular «amplitudes de dispersión»: fórmulas complejas que establecen con qué frecuencia las partículas «se dispersan» (básicamente, rebotan) de cierta manera. Formo parte de un grupo de físicos y matemáticos que trabajan para mejorar los engorrosos métodos que usaban nuestros predecesores. Nos hacemos llamar «amplitudólogos».

El origen de esta área se remonta a las investigaciones de dos físicos: Stephen Parke y Tomasz Taylor. En 1986, estos investigadores dieron con una fórmula única para describir colisiones de cualquier número de gluones. Ello simplificaba lo que normalmente serían páginas de cuidadosos cálculos. El campo terminó de arrancar entre los años noventa y principios de este siglo, cuando una serie de nuevos métodos prometió optimizar una gran variedad de cómputos. Hoy, la amplitudología se halla en auge. El año pasado, el congreso anual del ramo atrajo a 160 participantes. Y la escuela de verano de la semana previa, dirigida a jóvenes investigadores, reunió a 100. Incluso hemos captado cierta atención pública: el «amplituhedro» de los físicos Nima Arkani-Hamed y Jaroslav Trnka, una forma de describir ciertas amplitudes en términos geométricos, fue noticia en 2013. Y Sheldon Cooper, el protagonista de The big bang theory, también ha hecho incursiones en la amplitudología.

En fecha reciente hemos dado un gran paso adelante. Hemos desarrollado técnicas que nos están llevando a un terreno lo bastante sensible para ajustarnos a la creciente precisión del LHC. Tales herramientas harían posible detectar minúsculas diferencias entre las predicciones del modelo estándar y los datos. De ocurrir así, eso ayudaría a descubrir las nuevas partículas con las que sueñan los físicos.

Líneas y bucles
Para organizar nuestros cálculos, hace décadas que los físicos de partículas usamos una clase de dibujos conocidos como diagramas de Feynman. Concebidos por Richard Feynman en 1948, estos esquemas representan trayectorias de partículas. Supongamos que deseamos calcular la probabilidad de que dos gluones se fusionen y den lugar a un bosón de Higgs. En tal caso, comenzaremos trazando las líneas correspondientes a dichas partículas: dos gluones que entran y un bosón de Higgs que sale. Luego, habremos de conectarlas dibujando más trayectorias en el centro del diagrama, lo que debe hacerse respetando ciertas reglas que nos dicta el modelo estándar. Esas partículas adicionales son «virtuales»; es decir, no se trata de partículas en la forma literal en que lo son los gluones y el bosón de Higgs. Antes bien, podemos entenderlas como una «taquigrafía»: una forma de seguir la pista a las distintas maneras en las que pueden interaccionar entre sí los campos cuánticos.

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