sábado, 30 de marzo de 2024

Los árboles de Feynman - Germán Rodrigo

Capítulo 45

Los árboles de Feynman.
(Por Germán Rodrigo)






Quizás una de las aportaciones más significativas de Richard P. Feynman sean sus famosos diagramas que representan de forma gráfica e intuitiva todos los procesos que ocurren a nivel subatómico cuando las partículas elementales que conocemos colisionan entre sí a muy altas energías, o se desintegran a otras partículas más ligeras.

Los diagramas de Feynman se construyen a partir de vértices, que representan puntos de interacción, y de propagadores (de Feynman), que representan la propagación de partículas entre dos puntos de interacción. Existen dos tipos de diagramas de Feynman, los diagramas de tipo árbol en los que como en las ramas de un árbol cada propagador de una partícula da lugar a propagadores de nuevas partículas en cada uno de los vértices que actúan como puntos de bifurcación, y los diagramas de tipo loop que codifican todas las fluctuaciones cuánticas que ocurren a altas energías. Estos diagramas de loops están compuestos por ciclos cerrados que representan partículas que han sido emitidas a energías que pueden ser arbitrariamente altas, incluso superiores a la energía disponible en la colisión, y que son reabsorbidas casi inmediatamente, ya que en mecánica cuántica es posible romper el principio básico de conservación de la energía si esto ocurre sólo durante un periodo de tiempo muy pequeño siguiendo el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Los diagramas de tipo árbol dan lugar a predicciones teóricas que en general no son muy precisas mientras que estas predicciones teóricas mejoran significativamente a medida que se incluyen diagramas de Feynman con más y más loops o ciclos cerrados. Los diagramas de tipo árbol son relativamente sencillos de calcular, mientras que la complejidad matemática de los diagramas de Feynman crece muy rápidamente con el número de loops. La dificultad radica entonces en cómo evaluar diagramas de Feynman con muchos loops para producir predicciones teóricas con una precisión equivalente o superior que la alcanzada en el experimento. En la era del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, en la que la toma de datos está mejorando de forma impresionante las medidas realizadas, existe una necesidad apremiante por lograr un progreso equivalente en el flanco teórico, donde no disponemos actualmente de metodologías suficientemente avanzadas.  Este es uno de los principales retos teóricos en física de partículas que debemos abordar en los próximos años.

La elegancia de los diagramas de Feynman y su impacto visual, especialmente en lo que respeta a diagramas multiloop, siempre me ha fascinado, además de por el reto matemático que supone trabajar con este tipo de objetos, por la forma tan compacta en la que codifican los efectos cuánticos subyacentes. Y esa fascinación no ha hecho más que crecer después de descubrir lo que se conoce como teorema del árbol de Feynman.

Sí los diagramas de tipo árbol son fáciles de calcular, mientras que la dificultad reside en los diagramas de tipo loop, cabría preguntarse si existe alguna forma de evaluar diagramas con loops a partir de diagramas de tipo árbol. Una posible solución es el teorema del árbol de Feynman que apunta a cómo podemos transformar un diagrama de tipo loop en un diagrama de tipo árbol cortando las líneas internas que forman el loop, lo que técnicamente se conoce como poner un propagador en su capa de masas.

Una versión mejorada del teorema del árbol de Feynman es lo que se conoce como dualidad loop-árbol, en la que mi grupo de investigación lleva trabajando desde hace un tiempo, inspirado por unos trabajos fundacionales en colaboración con el Prof. Stefano Catani, del INFN de Florencia, a quien quiero dedicar este documento. La diferencia principal entre el teorema del árbol de Feynman y la dualidad loop-árbol está en el hecho de que el teorema del árbol permite hacer tantos cortes como sea posible, reduciendo un diagrama con muchos loops a una multitud de trocitos de tipo árbol, mientras que la dualidad loop-árbol reduce al número de cortes al mínimo necesario para transformar un diagrama multiloop a un solo diagrama de tipo árbol, dando lugar a expresiones matemáticas muy compactas.

Pero volvamos a los árboles de Feynman. Aunque poco conocido, existe un árbol real, un tilo para ser exactos, que fue plantado por Feynman en 1972 en un rincón de Hungría a orillas del lago Balaton. El árbol de Feynman se encuentra en el Parque Tagore de Balatonfüred, denominado así por el premio Nobel de Literatura indio Rabindranath Tagore, quien en 1926 acudió a esta ciudad balneario para recibir tratamiento médico y donde plantó un primer árbol, dando origen a la tradición de que si alguna persona conocida, preferentemente premio Nobel, visitaba la ciudad debía plantar un árbol.  El árbol de Feynman (premio Nobel de Física 1965 junto a Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga)1, está muy bien acompañado por, entre otros, los árboles de Bruno Pontecorvo, Nevill Francis Mott (Premio Nobel de Física 1977), Eugene Wigner (Premio Nobel de Física 1963) y Rudolf Mössbauer (Premio Nobel de Física 1961), todos ellos identificados con su correspondiente placa conmemorativa.

Fig. 1 Placa situada en el parque Tagore de Balatonfüred, Hungría, con la inscripción: “Este árbol fue plantado el 13 de junio de 1972 por el premio Nobel de Física Richard Feynman”. Foto: G. Rodrigo.


El motivo de la visita de Feynman a Balatonfüred en 1972 fue la primera conferencia internacional sobre la física de neutrinos, esas partículas elusivas postuladas en 1930 por Wolfgang Pauli para explicar la falta de energía que se observa en las desintegraciones radiactivas de tipo beta, y descubiertas en 1956 por Frederick Reines y Clyde Cowan. Feynman, quien confirmó su participación a última hora, presentó la conferencia “Lo que los neutrinos pueden decirnos sobre los partones”, es decir, sobre los componentes fundamentales, llamados partones, que conforman la estructura interna de protones y neutrones. Hoy sabemos que esos partones pueden ser de dos tipos, quarks y gluones, pero en 1972, el modelo de partones, propuesto por el propio Feynman apenas en 1969 aún no gozaba de suficiente aceptación por la comunidad.

Además del valor científico de la conferencia, en particular, de la propuesta pionera de Feynman, hay que tener en cuenta que en 1972 no había pasado tanto tiempo desde que la Unión Soviética aplastara la revolución húngara de 1956, por lo que las condiciones en las que tuvo que celebrarse la conferencia podrían haber sido difíciles. Precisamente la apertura de Hungría al mundo exterior había empezado tímidamente gracias al intercambio de investigadores y la posibilidad de organizar conferencias internacionales, lo cual pone de manifiesto claramente el valor diplomático de la colaboración científica. El tilo de Feynman es un testigo valioso para recordarnos ese valor y lo frágiles que pueden llegar a ser las relaciones entre países.

Cambiando de tema, Feynman es también conocido por haber puesto la semilla de lo que hoy se conoce como computación cuántica con el argumento de que puesto que la naturaleza del mundo es cuántica debemos utilizar sistemas cuánticos para describirla. No sabemos si algún día seremos capaces de construir ordenadores cuánticos suficientemente potentes para resolver los problemas del mundo, aunque el interés no ha hecho más que crecer en los últimos años. De momento, estamos dando los primeros pasos.

Y en esas estamos, transformando diagramas de Feynman en árboles, plantando árboles en simuladores cuánticos, y transformando de vuelta los árboles en loops. Sin lugar a duda, las propuestas de Richard P. Feynman han sido cruciales para fundamentar la mayoría de los trabajos que he desarrollado a lo largo de toda mi carrera investigadora, y sus árboles, y el bosque que conforman, siguen constituyendo una fuente inagotable de inspiración que espero haber transmitido a todos mis colaboradores.

 



Notas:
1 Información en The Nobel Prize: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/summary/ .



Germán Rodrigo.
Doctor en Ciencias Físicas.
Investigador Científico.
Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).
Instituto de Física Corpuscular (IFIC).


Créditos Música:
420 3.43
Reverie by Scott Buckley | https://soundcloud.com/scottbuckley
Creative Commons / Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/


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