Una partícula «imposible» podría refutar la teoría de cuerdas: el hallazgo que podría cambiar la física moderna

Una partícula que nunca debería existir según la teoría de cuerdas podría estar esperándonos en el gran colisionador de hadrones del CERN. Si se detecta, no solo desafiará décadas de física teórica, sino que podría reescribir las reglas del universo.

Por Enrique Coperías

Imagen del detector CMS (Solenoide Compacto de Muones) durante la captura de una colisión protón-protón en 2012, donde los aerosoles dorados revelan la icónica desintegración del bosón de Higgs en dos fotones. La misma precisión de rastreo que permitió este hito del modelo estándar impulsa hoy la búsqueda de huellas fantasma que desaparecen: señales sutiles que podrían desafiar la supremacía de la teoría de cuerdas en la física moderna.

Durante más de medio siglo, la física teórica ha estado dividida entre dos grandes pilares: el modelo estándar de partículas y la relatividad general de Einstein.

El primero describe con precisión casi todas las partículas elementales conocidas y sus tres interacciones fundamentales —electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte—, mientras que la segunda explica la gravedad y la estructura del espacio-tiempo.

Sin embargo, ambos marcos son incompatibles en su esencia: la relatividad trata la gravedad como la geometría suave del espacio-tiempo, mientras que el modelo estándar la ignora por completo.

¿Qué es la teoría de cuerdas y por qué es tan difícil de comprobar?

Buscar una teoría que los unifique ha sido uno de los grandes desafíos de la física. Y entre las propuestas, ninguna ha generado tanto entusiasmo como la teoría de cuerdas. Esta sugiere que todas las partículas no son puntos, sino diminutas cuerdas vibrantes, cuyas diferentes vibraciones generan las propiedades de cada partícula.

Además, propone un marco único que podría describir todas las fuerzas de la naturaleza, incluida la gravedad.

El problema, sin embargo, radica en que la teoría de cuerdas es muy difícil de comprobar. «Opera en una matemática de dimensiones muy altas y un paisaje vastísimo de universos posibles», explica Jonathan Heckman, físico teórico de la Universidad de Pensilvania.

Una teoría que precisa de muchísima energía

Muchas versiones de la teoría requieren entre diez u once dimensiones de espacio-tiempo, en las que las dimensiones adicionales están enrolladas a escalas microscópicas, según nos explica Rebecca Hicks, doctoranda en Física en el mismo centro.

Esta complejidad hace que sea casi imposible extraer predicciones específicas que puedan ser confirmadas o refutadas de manera experimental. Además, las características distintivas de la teoría solo se revelan claramente a energías extremadamente altas, muy por encima de lo que podemos alcanzar incluso en los más potentes aceleradores de partículas actuales.

«A energías cotidianas, las cuerdas se ven como partículas puntuales —explica Hicks—. Solo al aumentar la energía podemos ver cómo vibran e interactúan de verdad».

Pero ¿y si en vez de buscar lo que la teoría predice, nos preguntamos qué es lo que no puede predecir?

Qué buscan los físicos: una partícula imposible para la teoría de cuerdas

Eso fue precisamente lo que se propusieron Heckman, Hicks y sus colegas. En lugar de seguir buscando señales esquivas que confirmen la teoría de cuerdas, decidieron plantear la pregunta inversa: ¿existe algo que, si se encontrara, demostraría que la teoría de cuerdas es incorrecta?

Sorprendentemente, la respuesta parece ser un sí. Ese algo sería una partícula exótica muy especial: un fermión de tipo Majorana, que tiene la peculiaridad de ser su propia antipartícula, y que estaría formado por cinco componentes relacionadas entre sí según las reglas matemáticas del grupo SU(2)ₗ. Este que es uno de los responsables de gobernar las interacciones débiles —como la desintegración radiactiva— dentro del modelo estándar de física de partículas.

Esta 5-plet, como lo llaman los físicos, no aparece en ningún modelo conocido derivado de la teoría de cuerdas. «Es como intentar pedir un menú de Burger King en McDonald’s: no importa cómo de creativo seas explorando el menú, simplemente no aparecerá», bromea Heckman.

¿Qué es una 5-plet de SU(2)ₗ?

Hicks explica que una 5-plet es como una versión ampliada de una estructura ya conocida en física de partículas: el doblete electrodébil, que agrupa dos partículas relacionadas entre sí, como el electrón y su neutrino. En lugar de dos, la 5-plet reúne cinco partículas distintas pero conectadas, todas ellas organizadas según las reglas del grupo SU(2)ₗ, uno de los pilares matemáticos que describe las interacciones débiles en el modelo estándar. «Es como un primo gigante del doblete», resume Hicks.

El trabajo, publicado en la revista Physical Review Research, argumenta que si esta partícula se detectara sola —sin otras compañeras de menor dimensión, como exige la teoría de cuerdas—, se pondría en duda toda la validez del marco teórico. Como dice Heckman, «si eso ocurre, la teoría de cuerdas estaría en serios problemas».

Esta propuesta no es un simple ejercicio teórico: los autores han analizado decenas de modelos posibles dentro de la teoría de cuerdas, desde los más básicos —llamados perturbativos— hasta escenarios mucho más complejos, como los no geométricos o los que involucran interacciones fuertes difíciles de calcular.

En ninguno de ellos aparece una 5-plet solitaria, es decir, una partícula de este tipo sin otras compañeras más ligeras. «Revisamos todas las herramientas que existen en el marco de la teoría de cuerdas, y simplemente no encontramos esta partícula», asegura Heckman.

Cómo se busca esta partícula en el LHC

El trabajo no se queda en la teoría sobre el papel: también propone una estrategia clara para buscar esta partícula en el mundo real, concretamente en los datos del gran colisionador de hadrones (LHC), el mayor acelerador de partículas del mundo, ubicado en el CERN, cerca de Ginebra, en la frontera entre Francia y Suiza.

La función principal de este gigante tecnológico es acelerar partículas subatómicas a velocidades cercanas a la de la luz y hacerlas colisionar, lo que permite a los científicos estudiar los constituyentes básicos de la materia y las fuerzas fundamentales del universo. 

Ahora bien, detectar dicha partícula fantasma no es moco de pavo. En primer lugar, como su masa sería muy alta (del orden de cientos de GeV o incluso varios TeV), se necesitaría una gran cantidad de energía de colisión para crearla.

«El LHC tiene que golpear protones con la fuerza suficiente como para transformar esa energía en masa —explica Hicks, citando la famosa ecuación de Einstein E = mc². Y precisa—: Cuanto mayor es la masa, más raro es que se produzca».

Este es el aspecto de l ATLAS, uno de los siete detectores de partículas construidos en el gran colisionador de hadrone. Los investigadores rastrean con su ayuda miles de millones de sucesos en busca de fugaces huellas «fantasma» que podrían revelar grietas en la teoría de cuerdas. Cortesía: CERN

El papel de los detectores ATLAS y CMS

En segundo lugar, la 5-plet tiene una característica peculiar: sus componentes cargados decaen muy rápidamente en partículas casi invisibles. «Los estados más pesados emiten un pion suave [una partícula subatómica muy ligera que actúa como mediadora de la fuerza nuclear fuerte entre protones y neutrones] y una partícula neutra que no interactúa —dice Hicks—.

El pion apenas deja rastro, y la partícula neutra pasa sin ser detectada. Lo que se observa es una traza que desaparece de repente, como si unas huellas en la nieve desaparecieran en seco».

Este fenómeno, conocido como pista desaparecida, puede ser captado por los sofisticados detectores del gran colisionador de hadrones, como el ATLAS y el CMS. Estos gigantescos instrumentos, ubicados en distintos puntos de colisión del acelerador, funcionan como cámaras digitales que observan cada evento desde ángulos complementarios. Hicks forma parte de la colaboración ATLAS, y participa activamente en las búsquedas de este tipo de señales inusuales.

Un repaso a los charginos

Para comprobar si estas 5-plets ya han sido producidas y quizá inadvertidamente ignoradas, el equipo de investigadores reanalizó los datos existentes del LHC, especialmente aquellos relacionados con la búsqueda de charginos. Estos son partículas hipotéticas predichas por la supersimetría; serían versiones más pesadas y cargadas eléctricamente de partículas como los bosones W y los higgsinos. Los charginos también dejan pistas desaparecidas.

“Reinterpretamos esas búsquedas para ver si podrían esconder señales de 5-plets”, explica Hicks. ¿El resultado? Hasta ahora, nada. Eso implica que, si existen, deben tener una masa superior a unos 650–700 GeV. Para comparar, el bosón de Higgs tiene una masa de 125 GeV. “Eso ya es una afirmación fuerte”, dice Heckman. “Sabemos que no hay 5-plets ligeras, pero las más pesadas siguen siendo perfectamente posibles”.

La teoría de cuerdas, bajo presión

Las búsquedas continuarán. Las versiones mejoradas del LHC y posibles futuros aceleradores de partículas, como un colisionador de muones, podrían permitir explorar energías más altas, lo que aumentaría las posibilidades de descubrir una 5-plet, si es que existe.

Pero incluso si nunca se detecta, la propuesta marca un cambio importante en la forma de abordar teorías difíciles de comprobar como la de cuerdas. «No estamos deseando que la teoría de cuerdas falle —aclara Hicks—. Lo que estamos haciendo es ponerla a prueba, someterla a presión para ver si aguanta».

«Si la teoría de cuerdas sobrevive, fantástico —dice Heckman. Y concluye—: «Y si se rompe, también será una revelación profunda sobre la naturaleza del universo».

Este trabajo representa una vuelta de tuerca en la física teórica: buscar no tanto lo que confirma una teoría, sino lo que la refuta. En un campo dominado por ideas difíciles de comprobar, encontrar una señal experimental que ponga a prueba directamente la teoría de cuerdas —y potencialmente la falsifique— sería un avance monumental.

Puede que aún no hayamos encontrado esa partícula imposible. Pero el simple hecho de saber lo que debemos buscar ya es un paso enorme.

Y quizá, solo quizá, esas pistas que desaparecen en los detectores no sean solo rastros efímeros, sino el comienzo de una nueva era en la comprensión del cosmos. ▪️

• Información facilitada por la Penn Today

• Fuente: Matthew Baumgart, Panagiotis Christeas, Jonathan J. Heckman and Rebecca J. Hicks. How to falsify string theory at a collider. Physical Review Research (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.7.023184