Un nuevo método permite mantener las dimensiones espacio-tiempo de Einstein

Un equipo español de investigadores ha desarrollado un método que resuelve el problema de las dimensiones del espacio-tiempo en las teorías aplicadas al Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y que permite mantener así las cuatro dimensiones que estableció Einstein.

El método supone un cambio en cómo se obtienen predicciones teóricas de alta precisión con las que comparar datos experimentales del LHC, simplifica los complejos cálculos para ello y resuelve uno de los problemas principales a los que se enfrentan los físicos de partículas a la hora de trasladar la teoría al experimento.

Según explica el Instituto de Física Corpuscular (IFIC) de Valencia (este de España) en un comunicado, las teorías en las que se basan las predicciones con las que se comparan los datos del LHC del CERN, que han dado lugar a descubrimientos como el bosón de Higgs, están mal definidas en las cuatro dimensiones del espacio-tiempo de Einstein.

Para evitar la aparición de infinitos en los cálculos que arrojaban estas teorías se introdujeron nuevas dimensiones en un "truco matemático" que, sin embargo, no se corresponde con lo que se conoce del Universo.

Ahora, un grupo de investigadores del IFIC, centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de valencia, ha desarrollado un método que evita la aparición de esos infinitos y permite mantener la teoría en las cuatro dimensiones habituales del espacio-tiempo.

Los resultados se presentaron en la mayor conferencia de física de partículas del mundo, ICHEP 2016 de Chicago, y se han publicado en el Journal of High Energy Physics.

El origen del problema reside en que, desde el punto de vista teórico, se podrían producir partículas en las colisiones del LHC con energía cero, lo que, además, es distinto de no emitir ninguna partícula.

Lo mismo ocurre cuando dos partículas se producen exactamente en la misma dirección, que resultan indistinguibles de una sola partícula.

Otro de los problemas deriva de la necesidad de introducir correcciones cuánticas en los cálculos teóricos, lo que requiere extrapolar la validez de estas teorías hasta energías infinitas, jamás alcanzadas en un acelerador de partículas.

Desde el punto de vista del experimento, estas situaciones resultan difícilmente aceptables y para la teoría, asumirlas conlleva la aparición de infinitos en las cuatro dimensiones del espacio-tiempo, el continuo que une los dos conceptos que estableció Einstein en su teoría de la relatividad especial.

La solución que encontraron en 1972 los premios Nobel Gerardus Hooft y Martinus J.G. Veltman fue alterar las dimensiones del espacio-tiempo con un método, conocido como Regularización Dimensional, para definir la teoría en un espacio-tiempo de más de cuatro dimensiones.

Los infinitos que surgen en cuatro dimensiones aparecen entonces como contribuciones que dependen de la diferencia de dimensiones con respecto a cuatro, un "truco matemático" para modelar esos infinitos en pasos intermedios de los cálculos para obtener predicciones imposibles de obtener de otro modo.

Sin embargo, un grupo de investigadores del Instituto de Física Corpuscular, liderado por el investigador del CSIC Germán Rodrigo, ha desarrollado un nuevo método que redefine la teoría evitando la aparición de infinitos, y que permite por tanto mantener la teoría en las cuatro dimensiones habituales del espacio-tiempo.

El método se basa en una correspondencia directa establecida entre distintos diagramas que propician la aparición de infinitos y que son utilizados por los físicos para representar las colisiones a muy altas energías entre partículas subatómicas que se producen en los grandes aceleradores como el LHC.

La relación de correspondencia, desarrollada por los investigadores del IFIC en colaboración con el grupo de la Universidad de Florencia (Italia) que dirige Stefano Catani, se conoce con el nombre de 'dualidad loop-tree' y unifica estados cuánticos que para la teoría eran diferentes pero no desde el punto de vista experimental.