¿Qué es una partícula?

By: Natalie Wolchover

Se ha pensado en tantas cosas: un objeto puntiagudo, la excitación de un campo, una mota de pura matemática que se ha convertido en realidad. Pero la concepción de los físicos de una partícula nunca ha cambiado más de lo que está cambiando ahora.

ado que todo en el universo se reduce a partículas, se plantea una pregunta: ¿Qué son las partículas?

La respuesta fácil rápidamente se muestra insatisfactoria. Es decir, los electrones, fotones, quarks y otras partículas “fundamentales” supuestamente carecen de subestructura o extensión física. “Básicamente pensamos en una partícula como un objeto puntual”, dijo Mary Gaillard , teórica de partículas de la Universidad de California, Berkeley, quien predijo las masas de dos tipos de quarks en la década de 1970. Y, sin embargo, las partículas tienen rasgos distintos, como carga y masa. ¿Cómo puede una punta adimensional soportar peso?

“Decimos que son ‘fundamentales’”, dijo Xiao-Gang Wen , físico teórico del Instituto de Tecnología de Massachusetts. “Pero esa es solo una [forma de decir] a los estudiantes, ‘¡No pregunten! No conozco la respuesta. Es fundamental; no preguntes más ‘”.

Con cualquier otro objeto, las propiedades del objeto dependen de su composición física, en última instancia, de sus partículas constituyentes. Pero las propiedades de esas partículas no se derivan de sus propios constituyentes, sino de patrones matemáticos. Como puntos de contacto entre las matemáticas y la realidad, las partículas se encuentran a horcajadas sobre ambos mundos con una base incierta.

Cuando recientemente le pregunté a una docena de físicos de partículas qué es una partícula, dieron descripciones notablemente diversas. Hicieron hincapié en que sus respuestas no entran en conflicto tanto como captan diferentes facetas de la verdad. También describieron dos importantes avances de investigación en la física fundamental actual que buscan una imagen más satisfactoria y completa de las partículas.

“’¿Qué es una partícula?’ de hecho, es una pregunta muy interesante ”, dijo Wen. “Hoy en día se avanza en esta dirección. No debería decir que hay un punto de vista unificado, pero hay varios puntos de vista diferentes, y todos se ven interesantes “.

Una partícula es una ‘función de onda colapsada’ ¹

La búsqueda para comprender los bloques de construcción fundamentales de la naturaleza comenzó con la afirmación del antiguo filósofo griego Demócrito de que tales cosas existen. Dos milenios después, Isaac Newton y Christiaan Huygens debatieron si la luz está formada por partículas u ondas. El descubrimiento de la mecánica cuántica unos 250 años después demostró que ambas luminarias tenían razón: la luz viene en paquetes individuales de energía conocidos como fotones, que se comportan como partículas y ondas.

La dualidad onda-partícula resultó ser un síntoma de una profunda extrañeza. La mecánica cuántica reveló a sus descubridores en la década de 1920 que los fotones y otros objetos cuánticos se describen mejor no como partículas u ondas, sino mediante “funciones de onda” abstractas, funciones matemáticas en evolución que indican la probabilidad de que una partícula tenga varias propiedades. La función de onda que representa a un electrón, por ejemplo, se distribuye espacialmente, de modo que el electrón tiene ubicaciones posibles en lugar de una definida. Pero de alguna manera, extrañamente, cuando colocas un detector en la escena y mides la ubicación del electrón, su función de onda repentinamente “colapsa” a un punto, y la partícula hace clic en esa posición en el detector.

Por tanto, una partícula es una función de onda colapsada. Pero, ¿qué diablos significa eso? ¿Por qué la observación causa una distensiónfunción matemática colapsar y aparecer una partícula concreta? ¿Y qué decide el resultado de la medición? Casi un siglo después, los físicos no tienen ni idea.

Una partícula es una ‘excitación cuántica de un campo’ ²

La imagen pronto se volvió aún más extraña. En la década de 1930, los físicos se dieron cuenta de que las funciones de onda de muchos fotones individuales se comportan colectivamente como una sola onda que se propaga a través de campos eléctricos y magnéticos combinados, exactamente la imagen clásica de la luz descubierta en el siglo XIX por James Clerk Maxwell. Estos investigadores encontraron que podían “cuantificar” la teoría de campos clásica, restringiendo los campos de modo que solo pudieran oscilar en cantidades discretas conocidas como los “cuantos” de los campos. Además de los fotones, los cuantos de luz, Paul Dirac y otros descubrieron que la idea podría extrapolarse a los electrones y todo lo demás: según la teoría cuántica de campos, las partículas son excitaciones de campos cuánticos que llenan todo el espacio.

Al postular la existencia de estos campos más fundamentales, la teoría cuántica de campos despojó a las partículas de su estatus, caracterizándolas como meros fragmentos de energía que hacen que los campos se agiten. Sin embargo, a pesar del bagaje ontológico de los campos omnipresentes, la teoría cuántica de campos se convirtió en la lengua franca de la física de partículas porque permite a los investigadores calcular con extrema precisión lo que sucede cuando las partículas interactúan: las interacciones de las partículas son, en el nivel básico, la forma en que se construye el mundo.

A medida que los físicos descubrieron más partículas de la naturaleza y sus campos asociados, se desarrolló una perspectiva paralela. Las propiedades de estas partículas y campos parecían seguir patrones numéricos. Al extender estos patrones, los físicos pudieron predecir la existencia de más partículas. “Una vez que codifica los patrones que observa en las matemáticas, las matemáticas son predictivas; te dice más cosas que podrías observar ”, explicó Helen Quinn , física de partículas emérita de la Universidad de Stanford.

Los patrones también sugirieron una perspectiva más abstracta y potencialmente más profunda sobre lo que realmente son las partículas.

Una partícula es una ‘
representación irreductible de un grupo’ ³

Mark Van Raamsdonk recuerda el comienzo de la primera clase que tomó sobre teoría cuántica de campos como estudiante de posgrado de la Universidad de Princeton. El profesor entró, miró a los estudiantes y preguntó: “¿Qué es una partícula?”

“Una representación irreductible del grupo de Poincaré”, respondió un precoz compañero.

Tomando la definición aparentemente correcta como conocimiento general, el profesor se saltó cualquier explicación y se lanzó a una serie inescrutable de conferencias. “Todo el semestre no aprendí nada del curso”, dijo Van Raamsdonk , quien ahora es un físico teórico respetado en la Universidad de Columbia Británica.

Es la respuesta profunda estándar de las personas que lo saben: las partículas son “representaciones” de “grupos de simetría”, que son conjuntos de transformaciones que se pueden realizar en los objetos.

Tomemos, por ejemplo, un triángulo equilátero. Girándolo 120 o 240 grados, o reflejándolo a través de la línea desde cada esquina hasta el punto medio del lado opuesto, o sin hacer nada, todo deja el triángulo con el mismo aspecto que antes. Estas seis simetrías forman un grupo. El grupo se puede expresar como un conjunto de matrices matemáticas: matrices de números que, cuando se multiplican por las coordenadas de un triángulo equilátero, devuelven las mismas coordenadas. Dicho conjunto de matrices es una “representación” del grupo de simetría.

De manera similar, los electrones, fotones y otras partículas fundamentales son objetos que esencialmente permanecen iguales cuando actúan sobre ellos un determinado grupo. Es decir, las partículas son representaciones del grupo de Poincaré: el grupo de 10 formas de moverse en el continuo espacio-tiempo. Los objetos pueden desplazarse en tres direcciones espaciales o desplazarse en el tiempo; también pueden girar en tres direcciones o recibir un impulso en cualquiera de esas direcciones. En 1939, el físico matemático Eugene Wigner identificó las partículas como los objetos más simples posibles que se pueden mover, rotar y estimular.

Para que un objeto se transforme bien bajo estas 10 transformaciones de Poincaré, se dio cuenta, debe tener un cierto conjunto mínimo de propiedades, y las partículas tienen estas propiedades. Uno es la energía. En el fondo, la energía es simplemente la propiedad que permanece igual cuando el objeto se desplaza en el tiempo. El momento es la propiedad que permanece igual a medida que el objeto se mueve por el espacio.

Se necesita una tercera propiedad para especificar cómo cambian las partículas bajo combinaciones de rotaciones espaciales y refuerzos (que, en conjunto, son rotaciones en el espacio-tiempo). Esta propiedad clave es “giro”. En el momento del trabajo de Wigner, los físicos ya sabían que las partículas tienen espín, una especie de momento angular intrínseco que determina muchos aspectos del comportamiento de las partículas, incluso si actúan como materia (como lo hacen los electrones) o como una fuerza (como los fotones). Wigner demostró que, en el fondo, “el giro es solo una etiqueta que tienen las partículas porque el mundo tiene rotaciones”, dijo Nima Arkani-Hamed , física de partículas del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey.

Las diferentes representaciones del grupo de Poincaré son partículas con diferentes números de etiquetas de espín o grados de libertad que se ven afectados por las rotaciones. Hay, por ejemplo, partículas con tres grados de libertad de giro. Estas partículas giran de la misma manera que los objetos 3D familiares. Todas las partículas de materia, mientras tanto, tienen dos grados de libertad de giro, apodados “giro hacia arriba” y “giro hacia abajo”, que giran de manera diferente. Si gira un electrón 360 grados, su estado se invertirá, al igual que una flecha, cuando se mueve alrededor de una tira de Möbius 2D, regresa apuntando en la dirección opuesta.

Las partículas elementales con etiquetas de uno y cinco espines también aparecen en la naturaleza. Solo parece faltar una representación del grupo de Poincaré con cuatro etiquetas de giro.

La correspondencia entre las partículas elementales y las representaciones es tan nítida que algunos físicos, como el profesor de Van Raamsdonk, las equiparan. Otros ven esto como una combinación. “La representación no es la partícula; la representación es una forma de describir ciertas propiedades de la partícula ”, dijo Sheldon Glashow , una partícula ganadora del Premio Nobelteórico y profesor emérito de la Universidad de Harvard y la Universidad de Boston. “No confundamos los dos”.

‘Las partículas tienen tantas capas’ ⁴

Ya sea que haya una distinción o no, la relación entre la física de partículas y la teoría de grupos se hizo más rica y complicada a lo largo del siglo XX. Los descubrimientos mostraron que las partículas elementales no solo tienen el conjunto mínimo de etiquetas necesarias para navegar en el espacio-tiempo; también tienen etiquetas adicionales, algo superfluas.

Las partículas con la misma energía, momento y giro se comportan de manera idéntica bajo las 10 transformaciones de Poincaré, pero pueden diferir de otras formas. Por ejemplo, pueden transportar diferentes cantidades de carga eléctrica. Cuando se descubrió “todo el zoológico de partículas” (como lo expresó Quinn) a mediados del siglo XX, se revelaron distinciones adicionales entre partículas, lo que requirió nuevas etiquetas denominadas “color” y “sabor”.

Así como las partículas son representaciones del grupo de Poincaré, los teóricos llegaron a comprender que sus propiedades adicionales reflejan formas adicionales en las que se pueden transformar. Pero en lugar de mover objetos en el espacio-tiempo, estas nuevas transformaciones son más abstractas; cambian los estados “internos” de las partículas, a falta de una palabra mejor.

Tomemos la propiedad conocida como color: en la década de 1960, los físicos comprobaron que los quarks, los constituyentes elementales de los núcleos atómicos, existen en una combinación probabilística de tres estados posibles, a los que apodaron “rojo”, “verde” y “azul”. Estos estados no tienen nada que ver con el color real o cualquier otra propiedad perceptible. Lo que importa es el número de etiquetas: los quarks, con sus tres etiquetas, son representaciones de un grupo de transformaciones llamado SU (3) que consta de infinitas formas de mezclar matemáticamente las tres etiquetas.

Mientras que las partículas con color son representaciones del grupo de simetría SU (3), las partículas con las propiedades internas de sabor y carga eléctrica son representaciones de los grupos de simetría SU (2) y U (1), respectivamente. Por lo tanto, el modelo estándar de física de partículas , la teoría cuántica de campos de todas las partículas elementales conocidas y sus interacciones, a menudo se dice que representa el grupo de simetría SU (3) × SU (2) × U (1), que consta de todas las combinaciones de las operaciones de simetría en los tres subgrupos. (Que las partículas también se transforman bajo el grupo de Poincaré es aparentemente demasiado obvio para siquiera mencionarlo).

El modelo estándar reina medio siglo después de su desarrollo. Sin embargo, es una descripción incompleta del universo. Fundamentalmente, le falta la fuerza de la gravedad, que la teoría cuántica de campos no puede manejar por completo. La teoría de la relatividad general de Albert Einstein describe por separado la gravedad como curvas en la estructura del espacio-tiempo. Además, la estructura de tres partes SU (3) × SU (2) × U (1) del Modelo Estándar plantea interrogantes. A saber: “¿De dónde diablos salió todo esto?” como lo expresó Dimitri Nanopoulos . “Está bien, supongamos que funciona”, continuó Nanopoulos, un físico de partículas de la Universidad Texas A&M que estuvo activo durante los primeros días del Modelo Estándar. “¿Pero qué es esta cosa? No puedehabrá tres grupos allí; Quiero decir, ‘Dios’ es mejor que esto: Dios entre comillas “.

Las partículas ‘podrían ser cuerdas vibrantes’ ⁵

En la década de 1970, Glashow, Nanopoulos y otros intentaron ajustar las simetrías SU (3), SU (2) y U (1) dentro de un solo grupo más grande de transformaciones, con la idea de que las partículas eran representaciones de un solo grupo de simetría en el comienzo del universo. (Cuando se rompieron las simetrías, aparecieron las complicaciones). El candidato más natural para una “gran teoría unificada” era un grupo de simetría llamado SU (5), pero los experimentos pronto descartaron esa opción. Otras posibilidades menos atractivas siguen en juego .

Los investigadores pusieron aún más esperanzas en la teoría de cuerdas: la idea de que si se acercaba lo suficiente a las partículas, no vería puntos sino cuerdas vibrantes unidimensionales. También vería seis dimensiones espaciales adicionales, que la teoría de cuerdas dice que están enrolladas en cada punto de nuestra estructura familiar de espacio-tiempo 4D. La geometría de las pequeñas dimensiones determina las propiedades de las cuerdas y, por tanto, el mundo macroscópico. Las simetrías “internas” de las partículas, como las operaciones SU (3) que transforman el color de los quarks, obtienen un significado físico: estas operaciones se asignan, en la imagen de la cuerda, a rotaciones en las pequeñas dimensiones espaciales, al igual que el espín refleja las rotaciones en las grandes dimensiones. . “La geometría te da simetría te da partículas, y todo esto va de la mano”, dijo Nanopoulos.

Sin embargo, si existen cadenas o dimensiones adicionales, son demasiado pequeñas para ser detectadas experimentalmente. En su ausencia, han florecido otras ideas. Durante la última década, dos enfoques en particular han atraído a las mentes más brillantes de la física fundamental contemporánea. Ambos enfoques refrescan la imagen de las partículas una vez más.

Una partícula es una ‘deformación del océano Qubit’ ⁶

El primero de estos esfuerzos de investigación se basa en el lema “it-from-qubit”, que expresa la hipótesis de que todo en el universo, todas las partículas, así como el tejido del espacio-tiempo que esas partículas se clavan como arándanos en un muffin, surge. de bits cuánticos de información, o qubits. Los qubits son combinaciones probabilísticas de dos estados, etiquetados como 0 y 1. (Los qubits se pueden almacenar en sistemas físicos del mismo modo que los bits se pueden almacenar en transistores, pero puede pensar en ellos de manera más abstracta, como información en sí misma). sus posibles estados pueden enredarse, de modo que el estado de cada uno depende del estado de todos los demás. A través de estas contingencias, una pequeña cantidad de qubits entrelazados puede codificar una gran cantidad de información.

En la concepción del universo de “it-from-qubit”, si quieres entender qué son las partículas, primero tienes que entender el espacio-tiempo. En 2010, Van Raamsdonk, un miembro del campo it-from-qubit, escribió un ensayo influyente en el que declaraba audazmente lo que sugerían varios cálculos. Argumentó que los qubits enredados podrían unir el tejido del espacio-tiempo.

Cálculos, experimentos mentales y ejemplos de juguetes que se remontan a décadas sugieren que el espacio-tiempo tiene propiedades “holográficas”: es posible codificar toda la información sobre una región del espacio-tiempo en grados de libertad en una dimensión menos, a menudo en la superficie de la región. “En los últimos 10 años, hemos aprendido mucho más sobre cómo funciona esta codificación”, dijo Van Raamsdonk.

Lo más sorprendente y fascinante para los físicos sobre esta relación holográfica es que el espacio-tiempo es flexible porque incluye la gravedad. Pero el sistema de dimensiones inferiores que codifica información sobre ese espacio-tiempo flexible es un sistema puramente cuántico que carece de cualquier sentido de curvatura, gravedad o incluso geometría. Se puede pensar en un sistema de qubits entrelazados.

Según la hipótesis it-from-qubit, las propiedades del espacio-tiempo (su robustez, sus simetrías) provienen esencialmente de la forma en que los 0 y los 1 se trenzan entre sí. La búsqueda de larga data de una descripción cuántica de la gravedad se convierte en una cuestión de identificar el patrón de entrelazamiento de qubit que codifica el tipo particular de tejido del espacio-tiempo que se encuentra en el universo real.

Hasta ahora, los investigadores saben mucho más sobre cómo funciona todo esto en universos de juguete que tienen un espacio-tiempo curvado negativamente y en forma de silla de montar, principalmente porque es relativamente fácil trabajar con ellos. Nuestro universo, por el contrario, está positivamente curvado. Pero los investigadores han descubierto, para su sorpresa, que cada vez que el espacio-tiempo curvado negativamente aparece como un holograma, las partículas se acercan. Es decir, siempre que un sistema de qubits codifica holográficamente una región del espacio-tiempo, siempre hay patrones de entrelazamiento de qubits que corresponden a bits localizados de energía que flotan en el mundo de dimensiones superiores.

Es importante destacar que las operaciones algebraicas en los qubits, cuando se traducen en términos de espacio-tiempo, “se comportan como rotaciones que actúan sobre las partículas”, dijo Van Raamsdonk. “Te das cuenta de que esta imagen está siendo codificada por este sistema cuántico no gravitacional. Y de alguna manera en ese código, si puedes decodificarlo, te está diciendo que hay partículas en algún otro espacio “.

El hecho de que el espacio-tiempo holográfico siempre tenga estos estados de partículas es “en realidad una de las cosas más importantes que distingue a estos sistemas holográficos de otros sistemas cuánticos”, dijo. “Creo que nadie comprende realmente la razón por la que los modelos holográficos tienen esta propiedad”.

Es tentador imaginar que los qubits tienen algún tipo de disposición espacial que crea el universo holográfico, tal como los hologramas familiares se proyectan a partir de patrones espaciales. Pero, de hecho, las relaciones e interdependencias de los qubits podrían ser mucho más abstractas, sin ningún arreglo físico real. “No es necesario hablar de estos 0 y 1 que viven en un espacio en particular”, dijo Netta Engelhardt , física del MIT que recientemente ganó un premio New Horizons in Physics por calcular el contenido de información cuántica de los agujeros negros . “Puede hablar sobre la existencia abstracta de 0 y 1, y cómo un operador podría actuar sobre 0 y 1, y todas estas son relaciones matemáticas mucho más abstractas”.

Claramente hay más que entender. Pero si la imagen de eso desde qubit es correcta, entonces las partículas son hologramas, al igual que el espacio-tiempo. Su verdadera definiciónes en términos de qubits.

‘Las partículas son lo que medimos en los detectores’ ⁷

Otro campo de investigadores que se autodenominan “amplitudeólogos” busca devolver el foco de atención a las partículas mismas.

Estos investigadores sostienen que la teoría cuántica de campos, la lengua franca actual de la física de partículas, cuenta una historia demasiado complicada. Los físicos usan la teoría cuántica de campos para calcular fórmulas esenciales llamadas amplitudes de dispersión, algunas de las características calculables más básicas de la realidad. Cuando las partículas chocan, las amplitudes indican cómo las partículas pueden transformarse o dispersarse. Las interacciones de partículas crean el mundo, por lo que la forma en que los físicos prueban su descripción del mundo es comparar sus fórmulas de amplitud de dispersión con los resultados de las colisiones de partículas en experimentos como el Gran Colisionador de Hadrones de Europa.

Normalmente, para calcular las amplitudes, los físicos tienen en cuenta sistemáticamente todas las posibles formas en que las ondas en colisión podrían reverberar a través de los campos cuánticos que impregnan el universo antes de que produzcan partículas estables que vuelan lejos del lugar del accidente. Curiosamente, los cálculos que involucran cientos de páginas de álgebra a menudo producen, al final, una fórmula de una línea. Los amplitudeólogos sostienen que la imagen de campo oculta patrones matemáticos más simples. Arkani-Hamed, líder del esfuerzo, llamó a los campos cuánticos “una ficción conveniente”. “En física, muy a menudo cometemos el error de cosificar un formalismo”, dijo. “Empezamos a deslizarnos hacia el lenguaje de decir que son los campos cuánticos los que son reales y las partículas son excitaciones. Hablamos de partículas virtuales, todas estas cosas, pero no hace clic, hace clic, hace clic en el detector de nadie “.

Los amplitudeólogos creen que existe una imagen matemáticamente más simple y más verdadera de las interacciones de las partículas.

En algunos casos, están descubriendo que la perspectiva de la teoría de grupos de Wigner sobre las partículas se puede extender para describir interacciones también, sin ninguno de los habituales galimatías de los campos cuánticos.

Lance Dixon , un destacado amplitudeólogo del SLAC National Accelerator Laboratory, explicó que los investigadores han utilizado las rotaciones de Poincaré estudiadas por Wigner para deducir directamente la “amplitud de tres puntos”, una fórmula que describe una partícula que se divide en dos. También han demostrado que las amplitudes de tres puntos sirven como bloques de construcción de amplitudes de cuatro puntos y más que involucran más y más partículas. Estas interacciones dinámicas aparentemente se construyen desde cero a partir de simetrías básicas.

“Lo mejor”, según Dixon, es que las amplitudes de dispersión que involucran a los gravitones, los supuestos portadores de la gravedad, resultan ser el cuadrado de las amplitudes que involucran a los gluones, las partículas que unen a los quarks. Asociamos la gravedad con la estructura del espacio-tiempo en sí, mientras que los gluones se mueven en el espacio-tiempo. Sin embargo, los gravitones y gluones aparentemente surgen de las mismas simetrías. “Eso es muy extraño y, por supuesto, no se comprende realmente en detalle cuantitativo porque las imágenes son muy diferentes”, dijo Dixon.

Mientras tanto, Arkani-Hamed y sus colaboradores han encontrado aparatos matemáticos completamente nuevos que saltan directamente a la respuesta, como el amplituedro , un objeto geométrico que codifica amplitudes de dispersión de partículas en su volumen. Atrás quedó la imagen de partículas que chocan en el espacio-tiempo y desencadenan reacciones en cadena de causa y efecto. “Estamos tratando de encontrar estos objetos en el mundo platónico de ideas que nos dan propiedades [causales] automáticamente”, dijo Arkani-Hamed. “Entonces podemos decir, ‘Ajá, ahora puedo ver por qué esta imagen se puede interpretar como evolución’”.

It-from-qubit y amplitudeology abordan las grandes preguntas de manera tan diferente que es difícil decir si las dos imágenes se complementan o se contradicen entre sí. “Al final del día, la gravedad cuántica tiene alguna estructura matemática, y todos la estamos trabajando”, dijo Engelhardt. Añadió que, en última instancia, se necesitará una teoría cuántica de la gravedad y el espacio-tiempo para responder a la pregunta: “¿Cuáles son los bloques de construcción fundamentales del universo en sus escalas más fundamentales?” – una redacción más sofisticada de mi pregunta, “¿Qué es una partícula?”

Mientras tanto, Engelhardt dijo: “‘No sabemos’ es la respuesta corta”.