Modelo Bootstrap

En física de partículas , el modelo bootstrap , principio bootstrap o bootstrap hadrónico es una hipótesis obsoleta sobre la composición de partículas elementales que interactúan bajo la interacción nuclear fuerte . Utiliza criterios de consistencia general para determinar la forma de una teoría cuántica de campos a partir de supuestos sobre el espectro de partículas. Es una forma de teoría de la matriz S. El término deriva de bootstrapping , como en "impulsarse a sí mismo con sus propias correas", ya que las partículas parecen surgir de la autoconsistencia. ^{[ 1 ]}

Fue propuesto por primera vez en 1959 por Geoffrey Chew para explicar la interacción de partículas mediante la interacción fuerte . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Cayó en desuso en la década de 1970 con el auge de la cromodinámica cuántica , que describía los hadrones ( mesones y bariones ) en términos de partículas elementales llamadas quarks y gluones . Sin embargo, el modelo bootstrap fue importante para el desarrollo de la teoría de cuerdas .

En 1943, Werner Heisenberg construyó una teoría basada en las propiedades de la matriz S. Si bien el programa de Heisenberg no fue tomado en serio de inmediato, durante la década de 1950 científicos como Stanley Mandelstam , Murray Gell-Mann , Steven Frautschi y Francis E. Low utilizaron su idea para desarrollar la teoría de la ^matriz S. [ ^{4 ]}

En la década de 1960, la creciente lista de hadrones en el zoológico de partículas llevó a los físicos a pensar que la naturaleza de la interacción fuerte debía reformularse. Geoffrey Chew y Mandelstam intentaron construir una teoría de hadrones basada en la teoría de la matriz S , rechazando la teoría cuántica de campos estándar. ^{[ 5 ]} Chew utilizó el término "hipótesis bootstrap" por primera vez en 1961, considerando todos los hadrones como manifestaciones de la misma interacción, sin conocer el trabajo de Heisenberg. ^{[ 4 ]} Como sugirió Gell-Mann, Chew abogó por la democracia nuclear , la idea de que no existía ningún hadrón más elemental que los demás. ^{[ 5 ] [ 4 ]} Esta idea contrastaba con la visión "aristocrática" de la electrodinámica cuántica . ^{[ 4 ]}

En 1962, Fredrik Zachariasen y Charles Zemach utilizaron el modelo bootstrap para derivar las propiedades del mesón rho , una resonancia de dispersión de piones descubierta recientemente en aceleradores de partículas. Derivaron la masa del mesón rho con una precisión razonable. ^{[ 4 ]}

Justo después, comenzó a surgir el modelo de quarks , propuesto por Gell-Mann y George Zweig en 1964, que indicaba que los hadrones estaban compuestos de partículas más elementales llamadas quarks , pero la opinión predominante era que los quarks no eran físicos y eran solo artefactos matemáticos. ^{[ 5 ]}

Durante la Conferencia Solvay de 1967 , Chew y Gell-Mann presentaron sus teorías. Gell-Mann intentó conectar el modelo bootstrap con su modelo de quarks. Fue la última Conferencia Solvay sobre física de partículas. ^{[ 6 ]} En general, Gell-Mann no consideró que existiera un conflicto entre los dos modelos. ^{[ 4 ]}

La razón por la que el programa tenía alguna esperanza de éxito era por el principio de cruce , que establece que las fuerzas entre partículas están determinadas por el intercambio de partículas. Una vez que se conoce el espectro de partículas, se conoce la ley de fuerza, y esto significa que el espectro está restringido a estados ligados que se forman a través de la acción de estas fuerzas. La forma más sencilla de resolver la condición de consistencia es postular unas pocas partículas elementales de espín menor o igual a uno, y construir la dispersión perturbativamente a través de la teoría de campos , pero este método no permite partículas compuestas de espín mayor que 1 y, sin el fenómeno entonces desconocido del confinamiento , es ingenuamente inconsistente con el comportamiento de Regge observado en los hadrones.

Chew y sus seguidores creían que sería posible utilizar la simetría de cruce y el comportamiento de Regge para formular una matriz S consistente para infinitos tipos de partículas. La hipótesis de Regge determinaría el espectro, el cruce y la analiticidad determinarían la amplitud de dispersión (las fuerzas), mientras que la unitariedad determinaría las correcciones cuánticas autoconsistentes de forma análoga a la inclusión de bucles. La única implementación completamente exitosa del programa requirió otra suposición para organizar las matemáticas de la unitariedad (la aproximación de resonancia estrecha). Esto significaba que todos los hadrones eran partículas estables en la primera aproximación, de modo que la dispersión y las desintegraciones podían considerarse como una perturbación. Esto permitió construir un modelo bootstrap con infinitos tipos de partículas como una teoría de campos. La amplitud de dispersión de orden más bajo debería mostrar comportamiento de Regge y la unitariedad determinaría las correcciones de bucle orden por orden.

Muchos en la comunidad del método bootstrap creían que la teoría cuántica de campos, plagada de problemas de definición, era fundamentalmente inconsistente a altas energías. Algunos creían que solo existía una teoría consistente que requería un número infinito de especies de partículas y cuya forma podía hallarse únicamente por consistencia. Hoy en día se sabe que esto no es cierto, ya que existen muchas teorías consistentes sin perturbaciones, cada una con su propia matriz S. Sin la aproximación de resonancia estrecha, el programa bootstrap carecía de un parámetro de expansión claro, y las ecuaciones de consistencia solían ser complicadas y difíciles de manejar, por lo que el método tuvo un éxito limitado. Esto condujo al desarrollo de la teoría de cuerdas.

Geoffrey Chew consideró dos tipos de hipótesis de bootstrap: la hipótesis parcial aplicada a los hadrones y una hipótesis completa de bootstrap. Esta última afirmaba que «la naturaleza es como es porque esta es la única naturaleza posible consistente consigo misma». Esta versión metafísica tiene similitudes con la filosofía de Gottfried Wilhelm Leibniz . Sin embargo, Chew nunca desarrolló una filosofía completa de bootstrap y en varias ocasiones consideró que esta hipótesis general era contraproducente y acientífica. ^{[ 4 ]}

La filosofía del bootstrap fue retomada por el Grupo de Física Fundamental , especialmente por Henry Stapp y Fritjof Capra . En el libro de la Nueva Era de 1975, El Tao de la Física , Capra apoya la filosofía democrática de la teoría de la matriz S , que vinculó al budismo Mahayana , por encima de la teoría cuántica de campos. Capra consideraba que la filosofía del bootstrap era "una ruptura radical en el enfoque occidental de la ciencia fundamental" y que era tan influyente, o incluso más, que la teoría de la relatividad o la mecánica cuántica . ^{[ 4 ]}

Los estudiosos del posmodernismo y el construccionismo social han analizado la teoría del bootstrap. El profesor de inglés Robert Markley consideró que el declive del programa bootstrap fue más ideológico que científico. ^{[ 4 ]}

• Tullio Regge
• Stanley Mandelstam
• Bootstrap conforme

• G. Chew (1962). Teoría de la matriz S de las interacciones fuertes . Nueva York: WA Benjamin.
• D. Kaiser (2002). "Democracia nuclear: compromiso político, reforma pedagógica y física de partículas en la América de posguerra". Isis , 93, 229–268.

• Wolchover, Natalie (9 de diciembre de 2019). "Por qué las leyes de la física son inevitables" . Quanta Magazine .