¿Podría la descomposición de protones ser un desastre para la teoría de cuerdas?

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Por Andrew Zimmerman Jones, Daniel Robbins

Si uno de los intentos más antiguos de unificación de fuerzas (llamado teoría de la gran unificación o TGU) tiene éxito, tendría profundas implicaciones para la teoría de cuerdas. Uno de los GUT más elegantes fue el modelo Georgi-Glashow de 1974, propuesto por Howard Georgi y Sheldon Glashow.

Esta teoría tiene un defecto: predice que los protones se descomponen, y los experimentos de los últimos 25 años no han demostrado que éste sea el caso. Incluso si se detecta la descomposición de los protones, los teóricos de las cuerdas pueden ser capaces de salvar su teoría.

El modelo Georgi-Glashow permite a los quarks transformarse en electrones y neutrinos. Debido a que los protones están hechos de configuraciones específicas de quarks, si un quark dentro de un protón se convirtiera repentinamente en un electrón, el protón mismo dejaría de existir como protón. El núcleo emitiría una nueva forma de radiación a medida que el protón se descomponía.

Esta transformación del quark (y la consiguiente descomposición de protones) existe porque el modelo Georgi-Glashow utiliza un grupo de simetría SU(5). En este modelo, los quarks, electrones y neutrinos son el mismo tipo fundamental de partícula, manifestándose en diferentes formas. La naturaleza de esta simetría es tal que las partículas pueden, en teoría, transformarse de un tipo a otro.

Por supuesto, estas caries no pueden ocurrir muy a menudo, porque necesitamos que los protones se queden si vamos a tener un universo tal como lo conocemos. Los cálculos mostraron que un protón se descompone a una velocidad muy pequeña: menos de un protón cada 1033 años.

Esta es una tasa de decaimiento muy pequeña, pero hay una manera de evitarlo al tener muchas partículas. Los científicos crearon vastos tanques llenos de agua ultrapura y protegidos de los rayos cósmicos que podrían interferir con los protones (y dar lecturas falsas de descomposición). Luego esperaron a ver si alguno de los protones se descomponía.

Después de 25 años, no ha habido evidencia de decaimiento de protones, y estos experimentos se construyen de manera que pueda haber hasta unas pocas decadencias al año. Los resultados del Super-Kamiokande, un observatorio de neutrinos en Japón, muestran que un protón medio tardaría al menos 1035 años en descomponerse. Para explicar la falta de resultados, el modelo de Georgi-Glashow ha sido modificado para incluir tasas de decaimiento más largas, pero la mayoría de los físicos no esperan observar la decadencia de los protones en un futuro cercano (si es que la observan).

Si los científicos finalmente descubrieran la descomposición de un protón, eso significaría que el modelo de Georgi-Glashow tendría que ser examinado de nuevo. La teoría de cuerdas tuvo éxito en parte debido al fracaso de todos los demás modelos anteriores, por lo que si sus predicciones funcionan, puede indicar malas perspectivas para la teoría de cuerdas.

El panorama de la teoría de cuerdas sigue siendo tan resistente como siempre, y algunas predicciones de la teoría de cuerdas permiten versiones que incluyen la descomposición de protones. El tiempo de desintegración previsto es de aproximadamente 1.035 años, exactamente el límite inferior permitido por el observatorio de neutrinos Super-Kamiokande.

La renovación de los GUT no refutaría la teoría de cuerdas, aunque el fracaso de los GUT es parte de la razón por la que la teoría de cuerdas fue adoptada originalmente. Las teorías de cuerdas ahora pueden incorporar GUT en dominios de baja energía. Pero la teoría de cuerdas no puede decirnos si debemos anticipar que el GUT existe o que los protones se descomponen. Tal vez o tal vez no, y la teoría de cuerdas puede lidiar con ello de cualquier manera.

Este es sólo uno de los muchos casos en los que la teoría de cuerdas muestra una completa ambivalencia con las pruebas experimentales, lo que, según algunos críticos, la hace “infalsificable”.