¿Qué tan básicas son las constantes fundamentales en física?

En los rincones más lejanos del universo, ¿podría la luz viajar más rápido o más lento que la velocidad de la luz que conocemos?

En el sistema físico actual, la velocidad de la luz, como docenas de otras llamadas constantes fundamentales del universo, son la clave para la comprensión del universo por parte de los físicos. Estas constantes se pueden utilizar incluso para definir unidades de medida, como metros, segundos y kilogramos. Sin embargo, la comunidad física aún no ha llegado a un consenso sobre por qué las constantes fundamentales deben ser constantes.

El mes pasado, un nuevo artículo [1] en la revista Physical Review Letters propuso un experimento para investigar si estos pilares inquebrantables de la física son fluctuaciones en el espacio y el tiempo. Si es así, los científicos necesitarán reevaluar los modelos existentes del universo, o al menos darle un nombre diferente a las llamadas constantes fundamentales.

El físico Peter Mohr del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) dijo que las constantes fundamentales son esencialmente parámetros que aparecen en teoría. Las constantes fundamentales son de fundamental importancia para una teoría, pero sus valores no pueden ser predichos por la teoría y deben medirse experimentalmente.

Mohr participó en la investigación de una nueva definición del kilogramo, que se basaba en una constante fundamental, la constante de Planck, en lugar de en una pieza de aleación de platino que se había utilizado desde 1889. El objetivo de los físicos es crear un estándar para medir la masa que pueda resistir la prueba del tiempo sin ganar o perder peso debido a la contaminación y la degradación, como lo hacen los bloques de materia.

Dado que la definición de muchas unidades de medida se basa en constantes básicas, si las constantes básicas cambian, esto cambiará la unidad redefinida. Pero décadas de datos experimentales muestran que cualquier cambio potencial en estas constantes es extremadamente pequeño: menos de una parte en mil millones. Estos cambios, si existen, son tan pequeños que los físicos no tienen que tenerlos en cuenta en la mayoría de los experimentos.

De hecho, si estas constantes básicas cambian demasiado, el Modelo Estándar, que es la teoría básica de la física de partículas, no podrá resistir décadas de rigurosas pruebas experimentales, y será imposible que el Modelo Estándar para predecir quarks y Higgs. La existencia de partículas elementales como los bosones. El modelo estándar describe de qué está hecha la materia y cómo interactúa con las tres fuerzas fundamentales además de la gravedad.

Aunque los posibles cambios en las constantes fundamentales son demasiado pequeños para anular la física moderna, aún pueden cambiar significativamente nuestra visión de la materia oscura, la energía oscura y otras cosas que aún están por entenderse.

Sabemos que los físicos necesitan ir más allá del modelo estándar, pero no sabemos en qué dirección ir, afirmó Lukas F. Pasteka, físico de la Universidad Comenius y autor principal del nuevo artículo. Qué dirección tomar: teoría de cuerdas, supersimetría o alguna otra teoría.

Algunas de las teorías físicas de vanguardia existentes incluyen predicciones de cambios en constantes fundamentales. Un experimento suficientemente preciso podría probar estas predicciones y ayudar a reducir el alcance.

Si existiera una regla con una longitud equivalente al diámetro del sistema solar, entonces un cambio de una milmillonésima de mil millones de partes de la regla sería aproximadamente igual al ancho de un cabello. A primera vista, medir este nivel de cambio puede parecer extremadamente difícil, pero ¿es realmente así?

Anteriormente, el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferencia Láser (LIGO), que detectaba directamente ondas gravitacionales, tenía una sensibilidad extremadamente alta. La longitud de los dos brazos de interferencia de LIGO ha alcanzado los 4 kilómetros y su sensibilidad puede detectar cambios de una parte en 10 billones, lo que significa que LIGO puede detectar cambios de longitud equivalentes a una milésima parte del ancho de un protón. Como resultado, LIGO ha detectado ondas gravitacionales emitidas por colisiones de agujeros negros a una distancia de hasta 9 mil millones de años luz.

Los físicos creen que esta sensibilidad es exactamente lo que necesitan para detectar cambios en las constantes fundamentales, que están más allá de los límites actuales. Al observar los datos recopilados por LIGO en el pasado y en el futuro, los físicos esperan detectar señales producidas por cambios en algunas constantes fundamentales, incluida la velocidad de la luz, la constante de Planck, la carga del electrón y la relación de masa protón-electrón.

Además, esta investigación también propone un método diferente que puede utilizar instrumentos más pequeños para monitorear directamente la distancia de enlace entre átomos, como la distancia de enlace entre átomos de oro. Este enfoque puede ser más directo pero menos sensible que LIGO.

Ambos enfoques tardarán al menos algunos años, si no más, antes de que se disponga de datos significativos.

En última instancia, estas nuevas mediciones indicarán a los físicos que las constantes fundamentales son más constantes que nunca o no son tan constantes en absoluto. A partir de esto, los físicos pueden encontrar direcciones para el desarrollo de la física.

[1] Lukas F. Pasteka, Yongliang Hao, Anastasia Borschevsky, et al., Material Size Dependence on Fundamental Constants, Physical Review Letters, 2019, 122, arXiv:1809.02863v2.