24 La teoría de la gran unificación (GUT)

La detección del bosón de Higgs en 2012 completó la identificación experimental de las partículas fundamentales del modelo estándar de la física de partículas. El notable éxito de esta teoría alentó el deseo de ir más allá y formular una teoría capaz de unificar las fuerzas fundamentales de la naturaleza. El primer paso consistiría en unificar las tres interacciones gauge – electromagnética, débil y fuerte – y, en una etapa posterior, intentar incorporar también la gravedad en un marco más amplio, lo que se conoce como una teoría del todo (ToE), que abordaremos en el último capítulo.

Como vimos en el capítulo dedicado a la teoría electrodébil, en la década de 1960 Sheldon Lee Glashow logró unificar la interacción electromagnética y la interacción débil al mostrar que ambas pueden entenderse como dos manifestaciones de una misma interacción fundamental: la fuerza electrodébil. Por su parte, la cromodinámica cuántica describe con gran precisión la interacción fuerte. La teoría de la gran unificación (GUT) persigue un objetivo más ambicioso: unificar estas tres interacciones en una sola descripción teórica, dejando fuera, por el momento, a la gravedad.

La teoría de la gran unificación no es una única teoría concreta, sino una familia de teorías que comparten un mismo objetivo: describir las tres interacciones gauge como manifestaciones de una sola interacción fundamental subyacente. Existen distintos modelos de gran unificación, basados en diferentes grupos de simetría, como SU(5), SO(10) o E₆, cada uno con sus propias predicciones y características. Todos ellos coinciden en la idea general de la unificación, pero difieren en los detalles matemáticos y en los fenómenos observables que predicen.

 

Los campos de Yang–Mills.

Los campos de Yang–Mills fueron propuestos en 1954 por los físicos Chen Ning Yang y Robert Laurence Mills. Aunque su propuesta no describía inicialmente ninguna fuerza conocida, sentó las bases matemáticas de las teorías gauge modernas.

Durante años, las teorías de Yang–Mills se consideraron demasiado abstractas y problemáticas, en particular porque parecían predecir bosones mediadores sin masa. No fue hasta las décadas de 1960 y 1970, con el desarrollo del mecanismo de Higgs y su aplicación al modelo estándar, cuando se comprendió que estas teorías podían describir de forma coherente las interacciones fundamentales.

Hoy en día, las interacciones gauge del modelo estándar están formuladas dentro del marco de las teorías de Yang–Mills, lo que subraya la enorme importancia histórica y conceptual de su propuesta.

En las teorías de la gran unificación, los campos de Yang–Mills desempeñan un papel central. Estas teorías parten de la idea de que las tres interacciones gauge del modelo estándar no son fundamentales ni independientes, sino que emergen de una única interacción gauge subyacente asociada a un grupo de simetría más amplio. A energías extremadamente altas, esta simetría estaría intacta, y las fuerzas serían indistinguibles. Al descender la energía, la simetría se rompe espontáneamente, dando lugar a las tres interacciones gauge que observamos hoy.

Por lo tanto, los campos de Yang–Mills no son un añadido opcional en las teorías de gran unificación, sino la estructura matemática esencial que permite formular una interacción unificada de la que emergen las fuerzas conocidas.

 

¿Hay algo relevante además de los campos de Yang–Mills?

Además de los campos de Yang–Mills, las teorías de gran unificación introducen otros elementos conceptualmente importantes. Entre ellos destacan los nuevos bosones gauge asociados al grupo de simetría unificado, que permitirían procesos prohibidos en el modelo estándar, así como mecanismos de ruptura espontánea de la simetría más complejos que el del campo de Higgs habitual. En muchos modelos también aparecen nuevas partículas, relaciones entre masas y cargas, e incluso conexiones con teorías más amplias, como la supersimetría o la cosmología del universo primitivo.

 

No tenemos pruebas experimentales de unificación.

A pesar de su elegancia matemática y coherencia interna, las teorías de gran unificación aún no se consideran descripciones confirmadas de la naturaleza, ya que carecen de verificación experimental directa y plantean desafíos teóricos que siguen abiertos.

Las teorías de gran unificación predicen fenómenos que, de observarse, proporcionarían una fuerte evidencia a su favor. Los más conocidos son la desintegración del protón y la existencia de monopolos magnéticos, que veremos a continuación.

Además, la energía característica a la que tendría lugar la unificación es tan alta – del orden de 10¹⁵ – 10¹⁶ GeV – que resulta inalcanzable para los aceleradores de partículas actuales. Por ello, se piensa que la unificación solo habría sido efectiva en los primeros instantes tras el Big Bang.

 

La desintegración del protón.

Se trata de un proceso hipotético en el que esta partícula, considerada estable en el modelo estándar, se transforma en otras partículas más ligeras, como piones y leptones. En las teorías de gran unificación, este proceso sería posible debido a la existencia de nuevos bosones que conectan quarks y leptones, difuminando la distinción estricta entre ambos tipos de partículas. Aunque la vida media predicha del protón es enorme, la simple observación de un solo evento de desintegración constituiría una prueba decisiva a favor de las teorías de gran unificación.

 

Los monopolos magnéticos.

Otra predicción característica de muchas teorías de gran unificación es la existencia de monopolos magnéticos: partículas que portarían una carga magnética aislada, equivalente a un “polo norte” o “polo sur” magnético sin su opuesto. A diferencia de los imanes ordinarios, que siempre presentan ambos polos, los monopolos serían entidades fundamentales. Se piensa que podrían haberse producido en abundancia durante las transiciones de fase del universo primitivo, poco después del Big Bang. Sin embargo, hasta ahora no se ha detectado ninguno, lo que constituye otro desafío experimental para las teorías de gran unificación.

 

Puente conceptual hacia la supersimetría.

Una de las extensiones teóricas más influyentes que surgen en el contexto de las teorías de gran unificación es la supersimetría. Esta propuesta amplía el modelo estándar al introducir una nueva simetría fundamental entre dos grandes clases de partículas: las partículas de materia (fermiones) y las partículas mediadoras de las interacciones (bosones). Según esta idea, a cada partícula conocida le correspondería una partícula supersimétrica asociada, denominada «supercompañera», con propiedades similares pero distinto espín.

Desde el punto de vista teórico, la supersimetría resulta especialmente atractiva. Entre otras virtudes, permite estabilizar la masa del bosón de Higgs frente a grandes correcciones cuánticas producidas por la interacción con todas las partículas conocidas. Además, mejora la convergencia de las constantes de acoplamiento de las interacciones gauge a energías muy altas – lo que encaja de forma natural con las teorías de gran unificación – y proporciona candidatos plausibles para la materia oscura del universo.

Sin embargo, a pesar de estas motivaciones teóricas, la supersimetría no ha sido confirmada experimentalmente. Los experimentos realizados hasta la fecha, en particular en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), no han encontrado evidencia directa de partículas supersimétricas. Esto sugiere que, si la supersimetría existe, debe estar rota a energías más altas de lo inicialmente esperado o manifestarse de una forma más sutil que las versiones más simples de esta teoría.

En consecuencia, esta teoría debe entenderse hoy como una hipótesis teórica bien fundamentada, pero aún pendiente de verificación experimental. Su posible confirmación tendría profundas implicaciones para la física de partículas, la cosmología y nuestra comprensión de las leyes fundamentales de la naturaleza.

 

Implicaciones cosmológicas.

Las teorías de la gran unificación no solo buscan describir la estructura profunda de las interacciones fundamentales, sino que también tienen consecuencias directas para la cosmología. Las energías a las que se espera que tenga lugar la unificación solo se alcanzaron en el universo primitivo, durante los primeros instantes tras el Big Bang. En ese contexto, las transiciones de fase asociadas a la ruptura de la simetría unificada podrían haber dejado huellas observables en la estructura actual del universo.

Entre estas posibles huellas se encuentra la asimetría entre materia y antimateria. Junto con fenómenos como la desintegración de protones y la producción de monopolos magnéticos, predicciones cruciales de las teorías de la gran unificación, esta asimetría constituye una de las conexiones más profundas entre la física de partículas y la cosmología.

En el capítulo anterior hemos visto que la violación de la simetría CP contribuye a introducir una ligera diferencia entre materia y antimateria, pero que, en el marco del modelo estándar, este efecto resulta insuficiente para explicar el predominio de materia en el universo. Las teorías de la gran unificación ofrecen un mecanismo más completo: a energías extremadamente altas, los nuevos bosones predichos por estas teorías pueden transformar partículas de materia en otras, violando de forma más intensa las simetrías que distinguen a la materia de la antimateria.

En particular, en muchas teorías de la gran unificación, estos procesos no solo violan la simetría CP, sino que también permiten que se viole la ley de conservación de B−L, que en el modelo estándar sí se mantiene. A este fenómeno se le denomina violación de B y L. Esta característica resulta esencial para explicar cómo pudo generarse, en el universo primitivo, un pequeño exceso de materia que sobrevivió a la aniquilación con la antimateria y dio lugar a la composición del cosmos actual.

 

Panorama general.

El estudio de las teorías de gran unificación no solo busca describir lo infinitamente pequeño, sino que también ofrece claves fundamentales para comprender la evolución temprana y la composición global del universo. Estas conexiones muestran cómo la física de partículas y la cosmología están íntimamente ligadas, y cómo las grandes preguntas sobre la estructura del cosmos pueden encontrar respuesta en las leyes que rigen las partículas fundamentales.

Independientemente de si estas teorías describen o no la realidad última, el marco experimental mejor establecido sigue siendo el modelo estándar. Conviene, por tanto, recapitular sus elementos fundamentales y presentar de forma sistemática las partículas que lo componen, como síntesis de todo lo expuesto hasta ahora.