estás leyendo...
Papers recientes

Nuevos límites para romper la simetría de Lorentz

Uno de los conceptos más importantes en la física y astronomía es la simetría, y la ruptura de la misma. La presencia, ausencia, y ruptura de la simetría es el origen de las cantidades conservadas de la física (como el momentum), cambios de fase, y otros fenómenos. El artículo de hoy se concentra en una de las simetrías más importantes de la física, pero antes de entrar de lleno al tema, mencionemos brevemente las ideas que desembocaron en esta teoría.

Antes de la formulación de la mecánica cuántica, los científicos estaban confundidos acerca de la naturaleza de la luz. Por un lado, es una onda, ya que se refleja, se difracta, y se refracta. Por otro lado, todas las ondas conocidas necesitan un medio por el cual propagarse, pero no estaba claro qué medio existe entre el Sol y la Tierra, o entre las estrellas distantes. El dilema fue temporalmente solucionado con la propuesta del éter: una sustancia casi fantasmagórica, que no interactúa con nada salvo con la luz, sirviendo como su medio.

La teoría del éter fue puesta a prueba en varios experimentos entre el siglo XVII, cuando fue propuesta, hasta principios del siglo XX, cuando finalmente la teoría fue abandonada. El más importante de ellos fue llevado a cabo por Michelson y Morley en 1887. En ese entonces, existía la sospecha de que la Tierra se traslada a través del éter fijo, que debería verse como un “viento de éter”, desde nuestro punto de vista. Michelson y Morley diseñaron un experimento en que rayos de luz son disparados en direcciones perpendiculares y luego se hacen interferir, de manera que si uno de los rayos avanzara más rápido o lento (debido al éter), el patrón de interferencia sería distinto. No encontraron ninguna evidencia del “viento de éter”.

Figura 1: El experimento de Michelson y Morley. Luz viaja desde el emisor, en una de las esquinas, se divide en el centro y se refleja en los espejos en las otras tres esquinas.

El resultado de Michelson y Morley no tuvo explicación sino hasta 1905, cuando Einstein propuso su teoría de relatividad especial. En este nuevo marco teórico, el resultado del experimento se explica naturalmente sin la necesidad de éter, y con la subsecuente propuesta de la física cuántica, el éter fue abandonado por completo. Apoyado por el experimento de Michelson y Morley, Einstein propuso dos principios que transformaron la física para siempre, y en este artículo nos concentraremos en uno de ellos.

La simetría de Lorentz

El principio que mencionamos anteriormente postula lo siguiente: “las leyes de la física son idénticas para todos los observadores inerciales“. Lo que esto significa, esencialmente, es que no importa si uno fuera a hacer un experimento mirando hacia adelante, hacia la derecha, o hacia arriba. O aquí y ahora en la Tierra, o hace mucho tiempo, en una galaxia muy, muy lejana. Tampoco importa si uno hiciera el experimento sentado en una estación de tren, o dentro del tren mismo. Al fin y al cabo, ¿quién es el que se está moviendo, el tren o la estación? Desde el punto de vista del tren, es la estación la que se está alejando. Este principio de la física se llama la Simetría de Lorentz, por el físico Hendrik Lorentz, el primero en descubrir las transformaciones que están al centro de la relatividad especial.

Y por muy lógica e inquebrantable que pareciera ser la Simetría de Lorentz, hay teorías que proponen romperla.

Ruptura de la Simetría de Lorentz

Hoy en día, los científicos están buscando una nueva teoría capaz de reconciliar la relatividad con la mecánica cuántica. Ambas teorías son  incompatibles y fallan por completo en la escala de Planck, una immensa cantidad de energía que sólo se alcanza en agujeros negros y el Universo temprano. Esta teoría, aún inexistente, compatible con la relatividad general y la cuántica, válida incluso en agujeros negros y en el Big Bang, se llama gravedad cuántica. Existen diversos intentos de llegar a la gravedad cuántica, como la Teoría de Cuerdas y la Gravedad Cuántica de Recurrencias, pero hasta ahora ninguna de ellas ha sido confirmada. Estas teorías predicen que la Simetría de Lorentz debería romperse, cosa que tiene consecuencias muy importantes. Entre ellas, la más importante para el artículo de hoy es que los fotones, las partículas que componen la luz, podrían decaer en un electrón y un positrón (la antipartícula del electrón), siempre y cuando tengan suficiente energía. Este decaimiento no es posible en el modelo estándar de la física, y lógicamente resulta en una predicción comprobable: si los fotones pueden decaer, entonces es muy improbable que nos lleguen fotones muy energéticos de fuentes distantes, ya que deberían decaer en el camino.

Los autores del artículo de hoy intentan comprobar esta idea, buscando fotones altamente energéticos de fuentes lejanas. Usando el observatorio LHAASO (Observatorio de cascadas atmosféricas de alta elevación, por sus siglas en inglés), ubicado en la provincia de Sichuan, en China, han observado el centro de la Galaxia, y detectaron 12 fotones con energías extremadamente altas. Usando estos datos, los autores encuentran nuevos límites de la energía en que la Simetría de Lorentz se rompe. Sus límites son casi cien veces más altos que los límites anteriores.

Figura 2: Límites de la energía en que se rompe la Simetría de Lorentz. Los límites dependen de la energía del fotón (eje x), y la distancia que el fotón viaja (eje y). Entre más energético es el fotón (derecha en el eje x), más probable es que haya decaído en el trayecto. Además, entre más lejos tiene que viajar para llegar a nosotros (arriba en el eje y), más probable que decaiga. Los límites de LHAASO (azul) son más altos que los límites anteriores (rojo), provenientes de HAWC. (Figura 3 en el artículo)

Los resultados son alentadores, pero aún no concluyentes: establecen nuevos límites a la energía en que la Simetría de Lorentz se rompe, 100 veces más alta que el límite anterior. Aún así, es necesario seguir buscando fotones con energías aún más altas. En el futuro, una eventual teoría de gravedad cuántica deberá ser capaz de explicar este resultado y todo otro experimento relacionado con relatividad o física cuántica.

Acerca de Felipe Maldonado

Astrofísico graduado de Florida State University, Estados Unidos. Soy Chileno. Estoy interesado en la cosmología y difusión astronómica. Escribo para Astrobitos por que quiero desmitificar la astronomía y las ciencias exactas en general. Mi hobbies incluyen el cine, anime y Gunpla.

Comentarios

Aún no hay comentarios.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.