Correspondencia holográfica confirma propiedades del plasma de quarks y gluones

Un estudio comparó las predicciones teóricas con datos de colisiones de partículas realizadas en el LHC y el RHIC. La conjetura de Maldacena mostró una fuerte concordancia con los resultados experimentales

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La “correspondencia holográfica”, también conocida como “dualidad AdS/CFT”, es una idea de la física teórica que relaciona la gravedad en un espacio de cinco dimensiones (AdS) con una teoría de campos en un espacio de cuatro dimensiones (CFT). En otras palabras, propone describir la gravedad a través de una teoría de campos sin gravedad y con una dimensión menos. El tema se entiende mejor con una analogía: si imaginamos un cuerpo esférico, toda la información sobre lo que ocurre en su interior tridimensional podría estar codificada holográficamente en la superficie bidimensional que lo rodea.

Esta correspondencia holográfica fue propuesta como conjetura por el físico argentino Juan Maldacena en 1997, con el objetivo de ofrecer una vía para resolver las complejas ecuaciones de la gravedad cuántica en cinco dimensiones utilizando las ecuaciones de la teoría de partículas en cuatro dimensiones. Nacido en Buenos Aires en 1968, Maldacena se convirtió en 1999 en el profesor vitalicio más joven de la Universidad de Harvard, en los Estados Unidos y, desde 2001, ocupa una cátedra en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton. Su conjetura se volvió fundamental para abordar problemas como la entropía de los agujeros negros y las propiedades del plasma de quarks y gluones. También podría contribuir a la construcción de una teoría cuántica de la gravedad.

El profesor Roldão da Rocha, de la Universidad Federal del ABC (UFABC), en el estado de São Paulo (Brasil), utilizó la conjetura de Maldacena para investigar las relaciones entre las deformaciones de las branas negras y la viscosidad de corte del plasma de quarks y gluones. Los resultados fueron publicados en The European Physical Journal Plus.

Cabe explicar que las branas negras son generalizaciones de los agujeros negros en el contexto de la teoría de cuerdas y de la gravedad en dimensiones superiores. Mientras que los agujeros negros convencionales pueden concebirse como puntos o esferas en un espacio tridimensional, las branas negras son superficies extendidas con dimensiones adicionales. Al igual que los agujeros negros, las branas negras poseen un horizonte de eventos que define la región más allá de la cual nada puede escapar. Otro dato relevante es que las branas negras pueden emitir radiación térmica, similar a la radiación de Hawking de los agujeros negros convencionales.

En cuanto al plasma de quarks y gluones (QGP), se trata de un estado de la materia en el que quarks y gluones —normalmente confinados en los hadrones (protones, neutrones, mesones, etc.)— se mueven libremente. Este estado habría existido en los primeros instantes tras el Big Bang y puede recrearse en colisiones de iones pesados, como las realizadas en el Large Hadron Collider (LHC), en Europa, y el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en Estados Unidos. El QGP es una gota del tamaño del radio clásico del protón (del orden de un femtómetro) que se comporta como un fluido casi perfecto. Existe solo por 10^-23 segundos tras su producción, a una temperatura cercana a los 2 trillones de kelvins.

“El estudio contó con un extenso conjunto de datos proporcionados por el LHC y el RHIC. En el contexto de la dualidad AdS/CFT, la gravedad en cinco dimensiones, en un espacio de curvatura negativa [espacio Anti-de Sitter o AdS], puede describir interacciones del plasma de quarks y gluones en cuatro dimensiones a través de la hidrodinámica. Este enfoque permite calcular coeficientes de transporte y respuesta, como la viscosidad de corte, a partir de perturbaciones de soluciones gravitacionales. La correspondencia holográfica sugiere que la brana negra puede verse como un análogo gravitacional del comportamiento del plasma. Ella es capaz de describir un fluido casi perfecto extremadamente caliente en el borde del espacio AdS”, explica Rocha.

El investigador demostró que la relación entre la viscosidad de corte y la densidad de entropía del QGP, medida experimentalmente, concuerda notablemente con el valor calculado a partir de correcciones cuánticas de los agujeros negros de Schwarzschild en el formalismo AdS/CFT. “Esta dualidad proporciona un diccionario entre la gravedad y la mecánica de fluidos relativista. Podemos calcular los coeficientes del plasma de quarks y gluones desde el lado gravitacional y, al mismo tiempo, utilizar la mecánica de fluidos para comprender mejor la gravedad”, afirma.

La investigación también indica que, aunque es posible deformar la geometría de la brana negra, los datos experimentales imponen un límite estricto: la deformación no puede superar el 1 % del valor original dictado por la solución de brana negra de Schwarzschild en AdS. “Esto sugiere que la formulación estándar de la dualidad AdS/CFT es extremadamente robusta”, señala Rocha.

Uno de los aspectos frecuentemente cuestionados acerca de la dualidad AdS/CFT es la introducción de una dimensión adicional en la formulación gravitacional. Rocha argumenta que la quinta dimensión no debe interpretarse como una dimensión espacial que sea necesariamente accesible experimentalmente, sino como una escala de energía en la cromodinámica cuántica (QCD). “La dualidad no significa que exista una quinta dimensión en el universo observable. Ella indica que podemos describir el plasma de quarks y gluones utilizando un espacio de cinco dimensiones como un recurso matemático eficaz”, subraya.

Este enfoque también encuentra aplicaciones en otras áreas de la física, como la materia condensada y los superconductores holográficos. La solidez de la dualidad y su amplia aplicabilidad refuerzan la relevancia de la correspondencia holográfica, aunque esta siga siendo una conjetura y no una teoría consolidada. “Desde que se propuso en 1997 hasta hoy, han pasado casi tres décadas, y la conjetura de Maldacena ha sido puesta a prueba en diversos campos de la física con resultados muy satisfactorios. Nuestro estudio es un nuevo testimonio de su solidez”, concluye Rocha.

El estudio contó con el apoyo de la FAPESP a través del proyecto especial “Cherenkov Telescope Array: construcción y primeros descubrimientos” y del Auxilio a la Investigación – Regular “Correspondencias holográficas gauge/gravedad, coeficientes de respuesta y transporte y correcciones cuánticas” .

El artículo Deformations of the AdS–Schwarzschild black brane and the shear viscosity of the quark–gluon plasma puede ser accesado en: link.springer.com/article/10.1140/epjp/s13360-024-05795-8 .