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El investigador Juan Ramón Balaguer. GUILLERMO CARRIÓN / AGM
Un paso más en el conocimiento del cosmos

Un paso más en el conocimiento del cosmos

Física. El investigador de la Fundación Séneca Juan Ramón Balaguer trata de conocer en el grupo FISPAC de la UMU la naturaleza de la energía oscura, basándose en la teoría de cuerdas

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Sábado, 28 de enero 2023, 09:27

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Todavía hoy en día, el 96% del universo está compuesto por algunas entidades de las que se sabe muy poco: la energía oscura (73%) y la materia oscura (23%). De la materia oscura, en realidad, ni siquiera se conoce su identidad: ¿es una partícula o, como parece, los fenómenos atribuidos a la materia oscura apuntan no a alguna forma de materia, sino a una extensión de la gravedad? En cuanto a la energía oscura, la situación también es muy críptica: ¿cuál es la causa de la expansión acelerada observada del universo?, ¿es la energía oscura una constante cosmológica pura o existen otros modelos plausibles y realistas?

En la Universidad de Murcia, Juan Ramón Balaguer, investigador de la Fundación Séneca en el grupo de Física de partículas, astrofísica y cosmología (FISPAC) está desarrollando el proyecto 'El problema de la expansión acelerada del Universo: La energía oscura en la física de altas energías', con el objetivo de arrojar algo de luz sobre estas cuestiones en el marco de la teoría de cuerdas. Siendo así, los beneficios y las contribuciones científicas derivadas de este proyecto deberían enmarcarse en el avance del conocimiento puro de la física de la estructura de la materia y el universo.

Fuentes

El trabajo, en el que colabora con la Universidad de Roma Tor Vergata, se enmarca en el campo de la investigación básica con el objetivo de obtener más información sobre la estructura fundamental del universo. «Partimos de la consideración de fuentes en teoría de cuerdas para obtener una teoría efectiva en dimensiones más bajas y estudiar sus propiedades. Para ello introducimos en la teoría ciertos objetos (O-planos y D-branas) y estudiamos los tipos de soluciones que obtenemos dentro del marco de teoría de cuerdas. Al introducir este tipo de fuentes se evaden las hipótesis del teorema no-go de Maldacena-Nuñez y se abre la puerta a que puedan aparecer soluciones de tipo de Sitter o nuevas soluciones que puedan ser interesantes», explica Balaguer.

El modelo estándar de la física de partículas proporciona una excelente descripción teórica de los procesos físicos en el rango de energías sondeado hasta la fecha experimentalmente. No obstante, observaciones cosmológicas han demostrado durante mucho tiempo que solo una pequeña fracción de la densidad de energía total del universo (alrededor del 4-5%) está formada por materia bariónica (la materia que forma todo lo que nos rodea y podemos ver, incluidos los seres humanos). Además de eso, la materia oscura necesaria para la formación de estructuras a grandes escalas representa aproximadamente otro 26%, mientras que la parte restante se denomina genéricamente energía oscura, y es la responsable de la reciente fase de expansión acelerada del universo.

El investigador de la Fundación Séneca explica que «la teoría de cuerdas parte de la hipótesis de que las partículas elementales no son puntuales, sino que son modos de vibración de objetos extensos unidimensionales (minúsculas cuerdas, abiertas o cerradas). Por ejemplo, un electrón no sería un 'punto' sin estructura interna y de dimensión cero, sino una cuerda minúscula vibrando en un espacio-tiempo de más de cuatro dimensiones. Así que vista desde 'lejos' esa pequeña cuerda nos parecería una partícula puntual».

«Para que la teoría de cuerdas sea consistente deberíamos vivir en un mundo de diez dimensiones»

Así pues, si la teoría de cuerdas es el marco correcto donde buscar una teoría cuántica unificadora de todas las interacciones fundamentales (la interacción electromagnética, la nuclear débil, la nuclear fuerte y la gravitatoria), los científicos deberían poder derivar una descripción fenomenológicamente viable del universo, al menos hasta cierto grado de aproximación. «Es de esperar que estas teorías microscópicas den cuenta de la constante cosmológica observada responsable de la expansión acelerada del universo y proporcionen un escenario inflacionario para el universo temprano, en línea con los resultados experimentales proporcionados por las recientes mediciones cosmológicas», explica Juan Ramón Balaguer.

Restricciones

Claro que, como apunta, «para que la teoría de cuerdas sea consistente deberíamos vivir en un mundo de diez dimensiones (una temporal y nueve espaciales), pero lo que observamos en nuestro día a día es un mundo de cuatro dimensiones (una temporal y tres espaciales)». Así pues, para dar una descripción de nuestro universo a partir de la teoría de cuerdas, los investigadores se ven obligados a hacer una reducción de diez a cuatro dimensiones (de forma que las otras seis dimensiones espaciales serían pequeñas y estarían enrolladas) para obtener una teoría efectiva que sea compatible con lo que observamos. «Dependiendo de la elección de la geometría interna 6-dimensional, nuestro universo exhibirá diferentes propiedades», afirma el investigador de la UMU.

Es al realizar esas reducciones dimensionales donde se encuentran ciertas restricciones en el tipo de universos que se pueden obtener, por ejemplo, el teorema no-go de Maldacena-Nuñez, el cual establece que bajo ciertas asunciones no se puede obtener un universo de Sitter (como parece ser el nuestro), que es un universo con constante cosmológica positiva. Esta constante cosmológica sería la responsable de la energía oscura que se observa. En este proyecto, el grupo considera formas de evitar esas hipótesis de los teoremas no-go y estudiar cuál es el espectro de posibles soluciones (vacíos), dejando la puerta abierta a la aparición de soluciones de tipo de Sitter.

Con todo eso, el objetivo principal de este proyecto sería explorar la naturaleza básica de la energía oscura en el marco de una extensión teórica bien establecida del modelo estándar: la teoría de cuerdas. Como aclara Balaguer, «el objetivo de este proyecto es doble. Por un lado, estudiaremos algunos aspectos que nos permiten eludir los teoremas no-go: por un lado, el objetivo es descubrir vacíos hasta ahora inexplorados a los que estos nuevos ingredientes darán acceso. Y por otro, probar las conjeturas del 'Swampland', un programa de investigación que intenta cartografiar qué teorías físicas son incompatibles con la gravedad cuántica, con ejemplos no triviales que van más allá de los esquemas de compactificación estándar.

Soluciones

Por ahora, los investigadores han encontrado soluciones de teoría de cuerdas como intersección de branas (objetos donde las cuerdas abiertas tienen sus extemos) que eran duales holográficos de una teoría de campos anteriormente estudiada por José Juan Fernández Melgarejo, profesor de la Universidad de Murcia y quien dirige esta tesis. Más recientemente han considerado una reducción dimensional de una teoría de cuerdas de diez a seis dimensiones añadiendo fuentes, como paso previo a considerar una reducción dimensional de diez a cuatro dimensiones (que sería más interesante desde el punto de vista fenomenológico).

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