La Teoría de Cuerdas (STRING THEORY) y la Materia Oscura (DARK MATTER) con F. ViIllatoro y B. Ascaso. Prog. 105. LFDLC

Entrevista al gran Francisco Villatoro (Francis. Naukas-La Ciencia de la Mula Francis) Dr. en Matemáticas, Licenciado en Física, ingeniero informático y prof esor en la Universidad de Málaga.
Estas son las preguntas.
¿Qué es la teoría de cuerdas? Un nuevo paradigma para hacer física, como la física de Newton, la física cuántica o la física relativista. La física de Newton (F=m a) no predice la fuerza entre dos electrones (que viene determinada por los experimentos) ni la fuerza de la gravedad entre dos planetas (que Newton dedujo a partir de las leyes de Kepler). La teoría de cuerdas es un nuevo paradigma que predice todos los universos posibles. Entre ellos está nuestro universo, pero no tenemos ninguna razón por la cual haya sido seleccionado. Según la teoría de cuerdas todo está hecho de cuerdas.
¿Qué son las cuerdas de la teoría de cuerdas? En la teoría de cuerdas todas las partículas como vibraciones de pequeñas cuerdas. Los átomos de John Dalton en el siglo XIX no son los átomos de Demócrito, pues no son elementales, están compuestos de partículas. Las cuerdas de la teoría de cuerdas son los átomos de Demócrito. Diminutas cuerdas con un tamaño en la escala de Planck, 10^-35 metros, unas 10 sixtillonéximas de metro. Tan pequeño que si dilatáramos una de esas cuerdas hasta llegar al tamaño de un átomo de hidrógeno, un ser humano sería tan grande como una galaxia espiral del tamaño de la Vía Láctea. Esta teoría pretende unificar toda la física, tanto la teoría cuántica de partículas como la teoría clásica de la gravedad. Las cuatro fuerzas fundamentales de la física: la gravedad, la electromagnética, la nuclear fuerte, que mantiene a los protones y neutrones unidos en los átomos, y la nuclear débil, responsable de la radiactividad natural, serían unificadas por esta teoría.
La teoría de cuerdas predice que el espaciotiempo tiene más de cuatro (3+1) dimensiones. ¿Cuántas dimensiones tiene el espaciotiempo? La teoría de cuerdas es el candidato más firme en la actualidad a describir la gravedad como una teoría cuántica, ya que uno de los modos de vibración de las cuerdas describe los gravitones, las partículas cuánticas de la gravedad. Construir una teoría cuántica de la gravedad es uno de los problemas más difíciles en la historia de la física teórica. La teoría de cuerdas resuelve este y algunos otros problemas, aunque el precio a pagar es la aparición de muchísimos otros todavía no resueltos.?? El espaciotiempo no es un concepto fundamental en teoría de cuerdas, emerge de la interacción fuerte entre muchos gravitones. Hay varias versiones de la teoría en las que el espaciotiempo emerge con un número diferente de dimensiones. Hay cinco teorías en 10D y la llamada teoría M en 11D. Todas estas teorías son equivalentes entre sí y describen la misma física pero desde diferentes puntos de vista. Las dimensiones extra del espacio tiempo 4+6 (o 4+7) están muy curvadas (compactificadas) y no las podemos observar.
¿Cómo describe la teoría de cuerdas todas las partículas fundamentales conocidas? Todas partículas elementales y sus interacciones son descritos por el modelo estándar de partículas. La estructura matemática del modelo es muy sofisticada: describe partículas que distinguen izquierda de derecha, partículas con propiedades estadísticas muy diferentes (fermiones y bosones), además contiene muchísimos elementos de teoría de grupos, integrales en espacios de dimensión infinita, y un largo etcétera.? Durante el desarrollo inicial de la teoría de cuerdas (1968-1984) quedó claro que las únicas formulaciones de la teoría que pueden describir la complejidad del modelo estándar, son las que tienen lugar si se da un nuevo tipo de simetría espaciotemporal conocida como supersimetría. La supersimetría relaciona las partículas fermión con las bosón. Cada partícula en la naturaleza es un bosón o un fermión; los quarks, electrones y neutrinos son fermiones, y los fotones y la partícula de Higgs bosones. Una de las implicaciones físicas de la supersimetría es que dobla el número de partículas conocidas, es decir, por cada fermión (respectivamente bosón) habría un bosón (fermión) que todavía no se ha detectado.?? Las cuerdas con supersimetría se suelen llamar supercuerdas y se conocen cinco teorías de supercuerdas en 10D equivalentes entre sí: la tipo I, la IIA, la IIB, la heterótica HO y la heterótica HE. Además son equivalentes a una teoría de la gravedad supersimétrica en 11D.
¿Se puede probar experimentalmente la teoría de cuerdas? No es fácil. La física cuántica de la gravedad se observa a energías que no podemos explorar en los experimentos y la física cuánticas de las partículas que podemos estudiar en los colisionadores corresponde al vacío de la teoría de cuerdas. Con la tecnología actual no podemos saber si las partículas son realmente cuerdas o no lo son. En los experimentos todas las partículas elementales parecen puntuales. Todas las predicciones de la teoría de cuerdas se pueden estudiar sin la teoría de cuerdas. Por ejemplo, si se descubre la supersimetría (que fue inventada gracias a la teoría de cuerdas) no se demuestra la teoría de cuerdas ya que se pueden construir teorías supersimétricas sin teoría de cuerdas.
Observamos 4 dimensiones, ¿cómo se enrollan las dimensiones extra del espaciotiempo para que no las veamos? El universo que observamos tiene tres dimensiones de espacio y una de tiempo; la única forma de que hubiera seis dimensiones extra es que éstas estuvieran "enrolladas" a escalas microscópicas. De la misma forma que un cable fino, el cual puede parecer una línea unidimensional, es una superficie bidimensional con la dimensión que describe su grosor "enrollada", la física que observamos dependería de las formas geométricas que contienen las seis dimensiones enrolladas (o compactificadas). Las matemáticas que describen la compactificación son muy elegantes. Matemáticos reconocidos mundialmente por sus contribuciones en matemáticas fundamentales, hoy trabajan en problemas de teoría de cuerdas. Y viceversa, estructuras matemáticas encontradas por teóricos de cuerdas han despertado tanto interés en el mundo de las matemáticas que han aparecido nuevas áreas de investigación entorno a ellas.?
¿Además de las cuerdas hay otros objetos en la teoría de cuerdas? Hay muchos otros objetos. Los más importantes son las branas y sus cargas, las cuerdas-instantón, los instantones, los fibrados estables, etc. son conceptos asociados a la geometría que describe las dimensiones compactificadas.
¿La teoría de cuerdas apoya la idea del multiverso? Nuestro universo está descrito por un vacío de la teoría de cuerdas, pero hay infinidad de vacíos. La teoría de cuerdas describe todos los universos posibles. Algunos teóricos de cuerdas proponen que todas esas configuraciones existen objetivamente en lo que llaman el multiverso. Combinado con el principio antrópico, dicho grupo de teóricos dice explicar porqué la constante cosmológica observada es tan pequeña. Simplificando, su argumento dice: "casi todas las configuraciones del multiverso corresponden a universos en el que la vida no es posible; obviamente nosotros vivimos en un universo de ese multiverso en el que la vida sí es posible; un análisis estadístico en el multiverso implica que lo más probable es que un universo donde la vida sea posible tenga una constante cosmológica pequeña y positiva"
La principal crítica que está recibiendo la teoría de cuerdas es que es incapaz de predecir nada. ¿Sirve para algo una teoría que no predice nada? Se ha llegado a decir que no es una teoría falsable. Como predice todos los universos posibles no podemos comprobar la teoría con nuestro único universo. Lo cierto es que la teoría todavía no está entendida correctamente y que es precipitado sacar conclusiones. Faltan muchos problemas por resolver. Por ejemplo, hay evidencia de que las diversas teorías de cuerdas son límites diferentes de una teoría más profunda conocida como teoría M (donde M se refiere a Matriz, Misterio, Madre. . .). Sin embargo, formular en qué consiste exactamente esta teoría M se está convirtiendo en uno de esos proyectos a largo plazo donde no está claro que el "a largo plazo" no sea lo mismo que ilimitado.
¿La teoría de cuerdas es una teoría de todo? La formulación más completa de la teoría de cuerdas, llamada teoría M, aspira a ser una una teoría final o una teoría de todo que pueda ser formulada utilizando un número finito de principios físicos. Entender la teoría de cuerdas y la teoría M es un proyecto monumental para la comunidad de físicos teóricos y en cualquier momento puede haber sorpresas. También puede haber sorpresas desde la física de partículas (en el LHC) o en la cosmología observacional.
¿Cómo nació la teoría de cuerdas? ¿Cuál es su historia? Durante la década de los 1960 era un intento de explicar la fuerza nuclear fuerte entre el zoo de partículas (hadrones) que se descubrieron en los experimentos. El gran motor fue una fórmula matemática del joven físico italiano, Gabriele Veneziano. Pronto se descubrió que describía cuerdas vibrantes. Leonard Susskind veía las cuerdas con quarks en sus extremos para describir los mesones. Pero los bariones fue más difícil. Pero el modelo estándar eclipsó a la teoría de cuerdas en 1973. La primera revolución en 1984 y la segunda revolución en 1995 nos llevan a la situación actual.
¿Cómo explica la teoría de cuerdas el big bang? Hay muchas variantes, pero algunos defensores de la teoría de cuerdas han sugerido que el big bang no fue el inicio de todo. Si vivimos en una brana (D3) dentro de un espacio 11D donde hay más branas podemos imaginar que dos de estas membranas choquen entre si. Según esta idea, en algún momento anterior al Big Bang dos branas que albergaban universos paralelos se precipitaron la una contra la otra hasta que chocaron (Inflación brana-antibrana, D3-D3bar). Toda esa energía tenía que ir a alguna parte. Así desencadenó el Big Bang, creando la expansión que conocemos y calienta todas las partículas del universo formando una enorme masa ardiente. También hay varios posibles modelos de inflación en teoría de cuerdas: La tensión de un par brana-antibrana actúa como una energía de vacío que produce una fase de expansión acelerada. El inflatón es un campo que mide la distancia entre la brana y la antibrana. Inflación termina con la aniquilación del par, la energía se libera a partículas y radiación, en expansión desacelerada.
¿Cómo explica la teoría de cuerdas los agujeros negros? A bajas energías la dinámica del gravitón de teoría de cuerdas reproduce la Relatividad General. Existen soluciones de tipo agujero negro en teoría de cuerdas, pero involucran estos campos adicionales (compañeros supersimétricos del gravitón => gravitinos, dilatón, dilatinos, ...). La entropía de los agujeros negros de Bekenstein-Hawking se ha explicado gracias a las Dp-branas. Son objetos extensos, con p dimensiones espaciales y que se propagan en el tiempo. En acoplamiento débil se describe como hiperplanos en los que se localizan los extremos de las cuerdas abiertas. Se pueden apilar o superponer N Dp-branas y se forma un horizonte de sucesos como un agujero negro, las llamadas D-branas negras. La descripción con D-branas permite entender los microestados del agujero negro para acoplamiento fuerte. Los microestados del agujero negro corresponden a los microestados de la sopa de cuerdas abiertas entre las Dbranas que forman el agujero negro
¿Tiene otras aplicaciones la teoría de cuerdas? Gracias a la conjetura o correspondencia AdS/CFT de Maldacena. La información de los microestados cuánticos del agujero negro está almacenada sólo en el horizonte. Analogía con un holograma, imagen 2d que almacena info 3d. La información de un sistema con gravedad en D dimensiones se codifica en una teoría sin gravedad en su frontera de (D-1) dimensiones. Teoría SIN gravedad en 4D Teoría CON gravedad en 5D. AdS/CFT es una correspondencia holográfica. Teoría gauge SU(N) en 4d Teoría de cuerdas en AdS5 x S5. Deberían ser equivalentes... y son mucho más tratables que los sistemas originales. Tiene aplicaciones en física de la materia condensada, plasma quarks y gluones, turbulencia, ... etc.
En la segunda media hora hemos hablado con la Dra. BEgoña Ascaso.

Begoña Ascaso es investigadora post-doctorado que trabaja en el Observatorio de París desde enero de 2014.

Terminó eli doctorado en 2008 en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y luego se trasladó a Davis, California (EE.UU.), donde pasó tres años como postdoc trabajar con el grupo DLS en el Departamento de Física Universidad de California en Davis. Después de eso, volvió de nuevo a la IAA de nuevo en Granada, donde realizó otro postdoc en relación con encuestas Alhambra y J-PAS durante dos años y medio más.

Está interesada principalmente en los cúmulos de galaxias a partir de una variedad de puntos de vista. Estudia los cúmulos de galaxias en relación con la estructura a gran escala del Universo a través de simulaciones numéricas que nos permiten rastrear a través del tiempo. También ha detectado los cúmulos de galaxias en un número de diferentes encuestas y estoy usando sus recuentos de establecer restricciones cosmológicas para la formación del Universo. También está interesada en la comprensión de los principales procesos físicos que forman galaxias evolucionando en racimos. En particular, está interesada en las galaxias más brillantes en racimo (BCGs) y su relación con la historia clúster de hosts. En la sección de investigación y de mí sección, encontrará una explicación más amplia de esto.

Estas son algunas de la preguntas que le he planteado a nuestra invitada sobre la materia oscura.
- ¿Qué es la materia oscura?
- ¿Cómo sabemos q ué existe?
- ¿Cómo se compone nuestro universo entonces?
Y también hemos charlado de los cúmulos de galaxias, que son muy interesantes por si mismos y fueron unos de los primeros objetos donde Zwicky midió la existencia de materia oscura.
Y también hemos charlado de algunos proyectos que nuestra invitada colabora.
- Españoles: Proyecto ALHAMBRA (http://alhambrasurvey.com/) y J-PAS (España/Brasil: http://j-pas.org/). El primero su objetivo principal ha sido el estudio de la evolución cósmica y el segundo la determinación de la energía oscura.

- A nivel internacional, ha trabajado en el Deep Lens Survey (DLS, EEUU; http://matilda.physics.ucdavis.edu/working/website/index.html), detectando cúmulos de galaxias y trazando estructura a gran escala y también, actualmente está involucrada en Euclid (http://www.euclid-ec.org/) donde su objetivo es determinar función de selección de cúmulos para obtener predicciones cosmológicas a partir de ellos.
En astrofísica y cosmología física se denomina materia oscura a la hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética para ser detectada con los medios técnicos actuales, pero cuya existencia se puede deducir a partir de los efectos gravitacionales que causa en la materia visible, tales como las estrellas o las galaxias, así como en las anisotropías del fondo cósmico de microondas presente en el universo.
Espero que os guste este programa.
Este programa es la reposición de dos programas anteriores.