Las teorías en las que se basan las predicciones con las que se comparan los datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, que han dado lugar al descubrimiento del bosón de Higgs, entre otros resultados, están mal definidas en las cuatro dimensiones del espacio-tiempo que estableció 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 conocemos de momento del Universo. Ahora, un grupo de investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) ha desarrollado un método que evita la aparición de esos infinitos y permite mantener la teoría en las cuatro dimensiones habituales del espacio-tiempo.

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: 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.

Sin embargo, desde el punto de vista del experimento, estas situaciones resultan difícilmente aceptables. Para la teoría, asumirlas tiene un precio: 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. Y los infinitos se llevan mal con las predicciones teóricas.

La solución que encontraron en 1972 los premios Nobel Gerardus ´t Hooft y Martinus J.G. Veltman fue alterar las dimensiones del espacio-tiempo. El método, conocido como Regularización Dimensional, consiste en 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. Se trata de un ‘truco matemático’ para modelar esos infinitos en pasos intermedios de los cálculos que permite obtener predicciones imposibles de obtener de otro modo.

Sin embargo, un grupo de investigadores del Instituto de Física Corpuscular liderado por 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 supone un cambio en cómo se obtienen predicciones teóricas de alta precisión con las que comparar los datos experimentales del LHC, simplifica los complejos cálculos que se tienen que realizar para ello y resuelve uno de los problemas principales a los que tienen que enfrentarse los físicos de partículas a la hora de trasladar la teoría al experimento.

El método se basa en una correspondencia directa establecida entre distintos diagramas que propician la aparición de infinitos. Estos diagramas, propuestos por el premio Nobel Richard Feynman, 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 el IFIC en colaboración con el grupo de la Universidad de Florencia dirigido por Stefano Catani bajo el nombre de ‘dualidad loop-tree’, unifica estados cuánticos que para la teoría eran diferentes pero que no lo son desde el punto de vista experimental, como que una partícula tenga energía 0 o que no se emita ninguna partícula.

El nuevo algoritmo fue presentado por el investigador del IFIC Germán Sborlini en la principal conferencia mundial en física de partículas, ICHEP 2016, que se celebró a principios de agosto en Chicago (aquí la presentación en pdf). Además, acaba de publicarse en la revista Journal of High Energy Physics.

Más información:

“Four-dimensional unsubtraction from the loop-tree duality”, G.F.R. Sborlini, F. Driencourt-Mangin, R. Hernández-Pinto and G. Rodrigo. J. High Energ. Phys. (2016) 2016: 160. doi:10.1007/JHEP08(2016)160