Gerard ‘t Hooft en la Universidad de Córdoba

Tenemos una gran noticia para las estudiantes y los estudiantes de Física de la Universidad de Córdoba.  En concreto y para no dilatar más la sorpresa, el profesor Gerard ‘t Hooft nos visitará entre los días 8 y 12 de noviembre de este año (2018).

El profesor ‘t Hooft viene por la invitación que le hice en nombre del grupo de Modelización y Simulación de Sistemas Físicos. (FQM-378) (la página está aún en construcción) del departamento de Física de la Universidad de Córdoba.

Hemos de agradecer aquí la colaboración del plan propio activo del Vicerrectorado de Investigación de la Universidad de Córdoba para hacer posible esta visita.  El apoyo mostrado por el Decanato de la Facultad de Ciencias, y en especial a nuestra Decana, la profesora Dra. Dña. Mª Paz Aguilar Caballos, por su predisposición inmediata a facilitar cualquier cosa para la visita.

Y no podemos más que tener palabras de agradecimiento para la Unidad de Cultura Científica y de la Innovación de la Universidad de Córdoba porque se han volcado con la visita y han organizado, dentro de las actividades de la semana de la ciencia, una charla pública del profesor ‘t Hooft.  Contar con una unidad así en tu Universidad es una maravilla.  Están montando una muy gorda para la semana de la ciencia en Córdoba y son efectivos y eficientes.  Es una gozada contar con gente así en tu Universidad, esa gente que hace que todo parezca fácil y suave gracias a que ellos se pegan un curro impresionante.

Pero dejemos las actividades para el final, ahora hablemos un poco de quién es ‘t Hooft en este mundillo de la Física.

‘t Hooft y las teorías gauge

Allá por los años 70 del pasado siglo la física estaba en una época de crisis, como casi todas las épocas en Física, ya que no se sabía cómo tratar con las interacciones entre las partículas elementales.

El modelo estándard salido del pincel de RaquelGu (@RaquelberryFinn)

Hoy día tenemos muy claro que la respuesta a la descripción de las teorías de interacciones entre las partículas elementales es el denominado Modelo Estándar de la Física de Partículas.  Sin embargo, en los mencionados años 70 esta era una cuestión que no estaba ni mucho menos clarificada.  Más bien al contrario, el modelo estándar se formula en términos de la teoría cuántica de campos y por aquellas fechas pocos creían que este tipo de teorías pudieran ser las respuestas a las interacciones débil o fuerte.

Sin embargo, dos aguerridos físicos consideraron que esa era la mejor opción pese a que dichas teorías daban infinitos cuando se pretendian calcular cosas físicas como las masas de las partículas, las cargas, las probabilidades de que pase tal o cual cosa, etc.  Estos físicos eran Martin Veltman y Gerard ‘t Hooft.  El segundo fue el estudiante de doctorado del primero.

El problema de los infinitos no es exclusiva de la teoría cuántica de campos de las interacciones débil o fuerte.  También aparecen en las teorías clásicas de campos y el la teoría cuántica del electromagnetismo, la electrodinámica cuántica o QED por sus siglas en inglés.  Lo que pasa es que en las teorías clásicas y en la QED es fácil deshacerse de esos infinitos por procesos de regularización y renormalización.

La cuestión es que para la teoría débil y fuerte nadie sabía cómo renormalizar, ni tan siquiera se sabía si era posible renormalizar dichas teorías o no.  De hecho, lo más complicado era renormalizar la teoría débil porque las partículas mensajeras son muy masivas.  En el electromagnetismos la partícula portadora es el fotón que no tiene masa en reposo.

Lo que hizo ‘t Hooft fue demostrar que esa teoría débil y electrodébil, basada en la teoría cuántica de campos, era renormalizable.  Para ello hizo varias cosas que a poco que lo pensemos son una pasada:

a)  Desentrañó lo esencial de las teorías gauge como teorías que representan las interacciones entre las partículas elementales.

b)  Encontró de forma independiente que la masa de las partículas portadoras de la interacción débil no es un problema en la renormalización siempre que se genere a partir de un mecanismo que preserve la simetría gauge.  Es decir, redescubrió el mecanismo de Higgs (no está claro si lo había leído antes o no).  Lo que está claro es que mostró la importancia del mecanismo en la coherencia del Modelo Estándar.

c)  De paso encontró un argumento, que no había sido encontrado antes, de que la teoría gauge que describe la interacción fuerte tendría la propiedad de libertad asintótica y de confinamiento.  (Encontro que la función beta de estas teorías era negativa).  Nadie había visto eso antes, pero le dio poca importancia y no publicó ese resultado aunque sí lo mencionó en un artículo sobre la interacción fuerte, sobre QCD.

Por todo esto mereció el premio Nobel de Física de 1999 junto a Martinus Veltmann.

La QCD

QCD es la teoría de la interacción fuerte que hoy día creemos que es la mejor para describir estas interacciones.  Esta teoría dice que los quarks tienen una carga que les permite sentir la interacción fuerte, la carga de color.  Evidentemente no hay color que valga en términos cromáticos y ópticos, es solo un nombre que nos indica que esa carga, la carga fuerte, tiene tres posibles carácteres, que llamamos azul, rojo y verde.  Es igual que la carga eléctrica que puede tener carácter positivo o carácter negativo.  Ni más ni menos.

Esta teoría es muy buena describiendo qué le pasa a los quarks y cómo interactúan, que lo hacen intercambiando gluones, a alta energía.  Sin embargo los cálculos son extremadamente complejos.

La QCD nos dice que hay 8 tipos de gluones distinto que transmiten la interacción fuerte.  Pues bien, ‘t Hooft, se dio cuenta de que si consideramos que la QCD tiene un número infinito de gluones los cálculos se simplifican muy mucho.  Pero lo más sorprendente era que en ese límite la QCD se comporta como una teoría de cuerdas (como el desarrollo perturbativo de una teoría de cuerdas para ser preciso).

El artículo aquí:  A Plannar diagram theory for Strong Interactions.

El protón no es estable en el Modelo Estándar

Este es quizá uno de los resultados que más le gusta al profesor ‘t Hooft de todos los que ha obtenido en Física.  Seguramente habremos oído o leído por ahí que el protón es una partícula estable ya que no hay otra bariónica (formada por tres quarks) a la que se pueda desintegrar.  El protón es el barión más ligero.

Pero ‘t Hooft demostró que en el modelo estándar se viola el número bariónico.  Es decir, el número de bariones en el universo no es una cantidad constante.  Bueno, que no cunda el pánico, el tema es que esta violación es extremadamente pequeña, tan pequeña que podemos ignorarla y no esperamos ver en nuestra vida una desintegración de un protón (si encontramos eso nos indicaría muchas cosas sobre física más allá del modelo estándar).

Eso sí, para demostrar estas cosas hizo uso de instantones, solitones, etc.  Estos son unos conceptos difíciles pero que son interesantísimos porque introducen de lleno cuestiones topológicas en la teoría de las partículas elementales.

Artículo aquí.

Monopolos magnéticos

‘t Hooft fue uno de los primeros en estudiar con seriedad la posiblidad de encontrar monopolos magnéticos en nuestras teorías de las partículas elementales.  Aquí tenéis unas entradas sobre monopolos que escribí para Naukas.

Monopolos.

Agujeros Negros, holografía y mecánica cuántica

En los últimos tiempos el profesor ‘t Hooft es una de las figuras más interesadas en la física de agujeros negros, el principio holográfico y en las posibles modificaciones de la mecánica cuántica.  Pero de eso hablaremos tras su visitas a Córdoba porque son justamente de esas cosas de las que nos va a hablar en la UCO.  Os mantendremos informados.

Nos seguimos leyendo…