Quarks, agujeros de gusano y entrelazamiento cuántico

 Quarks, agujeros de gusano y entrelazamiento.
Quarks, agujeros de gusano y entrelazamiento cuántico.

La gravedad podría aparecer a partir del entrelazamiento y la curvatura clásica del espacio-tiempo descrita por la Relatividad General podría ser una consecuencia ese entrelazamiento.

Una de las cosas más extrañas de la Mecánica Cuántica (MC) es el entrelazamiento cuántico. Dos fotones o dos electrones pueden estar en una superposición de dos estados (dos estados de polarización o dos estados de spin respectivamente).

Si sus estados cuánticos están correlacionados entonces el colapso de la función de ondas de una partícula determina el colapso de la otra al instante.

Es aquí donde aparece lo extraño, pues parece que hay una acción a distancia instantánea que el efecto parece superar la velocidad de la luz.

Incluso podemos enviar las partículas en direcciones opuestas de tal modo que estén en sitios opuestos del Universo y el fenómeno se da.

Encima, qué partícula es la que colapsa primero o segundo depende del sistema de referencia relativista que elijamos.

Esta acción a distancia es algo que molestaba mucho a Einstein. Sin embargo, este fenómeno no viola la causalidad relativista, pues no se transmite información.

No se controla el estado al que colapsa la primera partícula y, por tanto, no se controla el colapso de la segunda. De todos modos esto siempre ha dado mucho juego y esta “comunicación instantánea” siempre ha estado sujeta a interpretación.

En julio pasado Juan Maldacena (Institute for Advanced Study) y Leonard Susskind (Stanford University) propusieron que esta comunicación se podía dar a través de agujeros de gusano.

Un agujero de gusano es un ente teórico que forma un túnel en el propio espacio-tiempo que comunica regiones alejadas del Universo a modo de atajo.

Sería como unir dos agujeros negros hasta formar un túnel siendo sus bocas los dos agujeros negros. Su geometría viene dictada por la Relatividad General (RG).

Parece que es imposible usar algo así para viajar, pues mantener abierto el túnel parece imposible debido a que colapsa en el momento en que se trata de introducir materia o energía por él.

Sin embargo, quizás existan agujeros de gusanos minúsculos que estén abiertos por una fracción de segundo, algo que permitiría, bajo cierto principio de incertidumbre de Heisenberg, una teoría cuántica de la gravedad.
Es aquí en donde los físicos dan palos de ciego, pues no se tiene todavía una teoría cuántica de la gravedad, sino modelos de juguete sobre ella.

La MC es buena para describir el mundo de lo pequeños y la RG para describir objetos muy masivos (estrellas, galaxias y el propio Universo), pero hay regímenes en los que ambos mundos coinciden y ninguna de las dos teorías funciona.

Hace falta una teoría cuántica de la gravedad de la que todavía carecemos.

El caso es que estos investigadores demostraron que si se crean dos agujeros negros entrelazados y se separan, entonces se forma un atajo entre ellos que, en esencia, es un agujero de gusano.

Bajo este esquema incluso si los dos agujeros negros están en partes opuestas del Universo parece que un agujero de gusano los conecta entre sí.

Esto sugería que, al menos en el caso de los agujeros de gusanos, la gravedad emerge de un fenómeno más fundamental que sería el entrelazamiento de dos agujeros negros.

Este trabajo indicaría, por tanto, que hay una equivalencia entre MC y la geometría clásica de la RG.

Ahora Julian Sonner (MIT), Kristan Jensen (University of Victoria) y Andreas Karch (University of Washington) han obtenido un par de resultados teóricos según los cuales la creación de dos quarks entrelazados tiene como consecuencia la creación de un agujero de gusano que conecta el par.

Este resultado indica que quizás las leyes de la gravedad que mantienen el Universo no sean fundamentales, sino que emerjan del entrelazamiento cuántico.

Se ha sugerido que una teoría cuántica de la gravedad llegaría a la conclusión de que la gravedad clásica que todos experimentamos no es un concepto fundamental, sino un fenómeno emergente que aparecería a partir de objetos y/o relaciones más fundamentales.

Es aquí en donde el entrelazamiento podría jugar su papel y a partir de él quizás se construya el propio espacio-tiempo.

Esto sería un gran paso importante para alcanzar una teoría cuántica de la gravedad.

Los quark son creados en este marco teórico como un par partícula-antipartícula a partir del vacío durante un breve periodo de tiempo, algo permitido por el principio de incertidumbre.

Se asume, además, que un par así creado está correlacionado. Se pueden además separar bajo la influencia de un campo eléctrico.

Para ver cómo la gravedad aparece en este escenario los investigadores hacen uso del principio holográfico, que es un modo de derivar más dimensiones espaciales a partir de otras.

Este principio, inventado por Maldacena, viene a decir que la teoría cuántica junto a la gravedad en un espacio dado es equivalente a la teoría cuántica sin gravedad en una espacio con una dimensión menos que hace la veces de frontera o borde del espacio original.

Toda la información del interior estaría contenida en esa superficie frontera.

Estos investigadores vieron que la aparición de pares de quark daba lugar a la aparición de agujeros de gusanos que los conectaban en lo que parece ser una creación simultánea de ambos tipos de objetos. Esto sugería además que la gravedad podría aparecer a partir del entrelazamiento y que la curvatura clásica del espacio-tiempo descrita por la RG podría ser una consecuencia del entrelazamiento.

Según Sonner, en una representación básica el entrelazamiento da lugar a la aparición de una especie de geometría.

De todos modos, algunos expertos del campo argumentan que estos resultados no son más que una mera analogía matemática.

De momento no saben qué pasa si se rompe el entrelazamiento o qué pasa con la geometría en ese momento, así que les queda trabajo por hacer , pues como veremos , esto no acaba de sorprender con nuevos descubrimientos día a día .

Confirman Z(4430)

Confirman Z(4430)

La confirmación del tetraquark Z(4430) podría tener implicaciones en Astrofísica.

Recientemente se ha conseguido confirmar en el CERN una extraña “partícula”, un tetraquark al que se denomina Z(4430) .

La “partícula” es cuatro veces más pesada que un protón y está formada por un quark encantado, un antiquark encantado, un anti-top y un down. Z(4430) es en realidad una resonancia, una entidad de vida tan corta que ni siquiera se le puede llamar partícula.

Esta resonancia fue descubierta por primera vez por Belle, después por BaBar y ahora por LHCb. Se confirma casi con 14 sigmas de significación estadística (5 sigmas son suficientes para proclamar un descubrimiento en física de partículas).

Recordemos cómo está estructurada la materia según el modelo estándar.

Hay quarks y leptones agrupados en tres familias. Dentro de cada familia los quarks son muchos más pesados que sus leptones asociados.

Los quarks tienen además de carga eléctrica una carga distinta que se ha llamado carga de color y que puede ser roja, verde o azul (es una analogía, obviamente no tienen color real), con sus correspondientes anticolores.

Combinando quarks se consiguen partículas con carga de color neutra.

Los leptones son partículas de spin semientero, en concreto son el electrón, el muón y el tau con sus correspondientes neutrinos asociados.

Además de todo ello, hay partículas de spin entero (bosones) que son los portadores de las fuerzas. Los quarks y leptones interaccionan intercambiando bosones virtuales de fuerza, partículas que no tienen consistencia real.

Un electrón se ve atraído por otro porque se intercambian fotones virtuales (los bosones de la fuerza electromagnética).

Para crear un protón se necesitan tres quaks, dos quark up y uno down que se mantienen unidos gracias a que intercambian unos bosones virtuales denominados gluones que son los portadores de la fuerza nuclear fuerte.

Los conjuntos de quarks, como el protón, se denominan hadrones.

Los hadrones de dos quarks son los mesones (color y anticolor) y los de tres (tres colores que dan neutro) se llaman bariones.

Así que Z(4430) es un hadrón.

La cromodinámica cuántica predice la existencia de hadrones exóticos, además de los bariones y mesones conocidos, esta teoría de campos predice la existencia de tetraquarks (dos colores y sus correspondientes anticolores), pentaquarks (tres colores y un color y anticolor), hexaquarks (los tres colores y sus anticolores), además partículas mezcla en las que además de quarks hay gluones reales (no virtuales).

Incluso glubolas hechas con gluones reales.

Aunque hace más de 10 años se dijo que se habían descubierto pentaquarks, el descubrimiento no fue posteriormente corroborado, así que ha sido eliminado de la lista de descubrimientos.

Como las masas de algunas de estas partículas son accesibles con los aceleradores actuales se ha llegado a pensar que los hadrones exóticos simplemente no existían.

O bien tienen vidas tan cortas que no consiguen detectarlos o bien los cálculos, dificilísimos en cromodinámica cuántica y llenos de aproximaciones, predicen cosas que no se dan en el mundo real.

El descubrimiento de Z(4430) aumenta las esperanzas de que se descubran otros hadrones exóticos, pero además tiene implicaciones en Astrofísica debido a que afecta a la comprensión de las estrellas de neutrones, objetos ultracompactos de densidad nuclear que surgen después de la explosión de las supernovas de tipo II.

Una estrella de neutrones tiene el tamaño de una ciudad pero tiene la masa de una estrella y una campo magnético muy intenso. Si la orientación es la adecuada, una estrellas de neutrones se nos puede mostrar como un pulsar.

El modelo más simple de estrella neutrones está formado por neutrones (tres quarks, dos down y uno up) que podrían interaccionar entre sí.

Pero si se introduce la idea de tetraquark es posible que en el centro de la estrella de neutrones, en donde más pueden interactuar los neutrones, se formen tetraquarks.

Si además existen los pentaquarks y hexaquarks también se formarían en el núcleo de la estrella. Al final se tendría algo similar a una estrella de quarks (quark star).

En el pasado se ha llegado a sugerir la existencia de estrella de neutrones en las que los quarks que constituyen los neutrones se desligan y forman una sopa de quarks.

Incluso se ha llegado a sugerir estrellas principalmente hechas de quarks extraños (es un tipo de quark), pero no se han encontrado pruebas de su existencia.

Estos objetos podrían ser incluso primordiales y haberse formado al poco de darse el Big Bang.

Pero aunque este tipo de objetos es hipotético, la confirmación del tetraquark obliga a que se replanteen los modelos de estrellas de neutrones y a que se revisen las observaciones en busca de estrellas de quarks (totales o parciales) en el espacio.

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