En la fisica teorica moderna, la palabra "taquion" ha evolucionado significativamente respecto a su definicion original como una particula puntual superluminica. Hoy en dia, en el contexto de la teoria cuantica de campos (TCC) y la teoria de cuerdas, "taquion" se refiere casi exclusivamente a un campo taquionico: un campo con masa imaginaria que indica una inestabilidad fundamental en el estado de vacio.
1. Condensacion taquionica y ruptura de simetria
En la teoria cuantica de campos, la masa al cuadrado ($m²$) de un campo corresponde a la segunda derivada de su funcion de energia potencial en el minimo local (el estado de vacio). Para las particulas estandar, $m²$ es positivo, lo que significa que el campo se encuentra en un "cuenco" estable de energia potencial. Cualquier pequena perturbacion hara que el campo oscile alrededor del minimo, creando las particulas que observamos.
Un campo taquionico tiene una masa al cuadrado negativa ($m² < 0$). Esto significa que el campo se encuentra en un maximo local de energia potencial, como una bola equilibrada perfectamente en la cima de una colina. Este estado es matematicamente posible pero fisicamente inestable.
Debido a esta inestabilidad, el campo se "deslizara" espontaneamente colina abajo para encontrar un verdadero estado estable de energia minima. Este proceso se llama condensacion taquionica. Cuando el campo se asienta en el nuevo minimo, la inestabilidad taquionica original desaparece, el campo adquiere un valor de expectacion del vacio (VEV) distinto de cero y las particulas asociadas al campo adquieren una masa real y positiva.
El mecanismo de Higgs
El ejemplo fisico mas famoso de condensacion taquionica es el campo de Higgs. En el universo temprano, extremadamente caliente, el potencial de Higgs era simetrico y el campo tenia efectivamente una masa al cuadrado negativa: era taquionico. A medida que el universo se enfrio, el campo descendio a un minimo estable en un potencial de "sombrero mexicano". Esta ruptura espontanea de simetria otorgo masa a los bosones W y Z, y las excitaciones restantes del campo son lo que hoy observamos como el boson de Higgs (que tiene una masa positiva y real).
2. El problema del taquion en la teoria de cuerdas bosonicas
La teoria de cuerdas intenta unificar la relatividad general con la mecanica cuantica reemplazando las particulas puntuales por cuerdas unidimensionales vibrantes. La formulacion original de esta idea, desarrollada a finales de los anos 1960 y 1970, se conoce como la teoria de cuerdas bosonicas.
Sin embargo, la teoria de cuerdas bosonicas padecia de un defecto critico y fatal: el modo vibracional de menor energia de la cuerda (el estado fundamental) producia una particula con masa al cuadrado negativa. En otras palabras, el vacio de la teoria de cuerdas bosonicas contenia un taquion.
Esto indicaba que el espaciotiempo de 26 dimensiones de la teoria de cuerdas bosonicas era fundamentalmente inestable y experimentaria condensacion taquionica para decaer a un estado de menor energia. El teorico Ashoke Sen hizo contribuciones revolucionarias a finales de los anos 1990 al demostrar que la condensacion del taquion de cuerda abierta representa la descomposicion de D-branas inestables en el vacio de la cuerda cerrada.
Finalmente, para resolver el problema del taquion y modelar exitosamente los fermiones (particulas de materia), los fisicos introdujeron la supersimetria. Esto llevo a la teoria de supercuerdas, que elimina el estado fundamental taquionico mediante la proyeccion GSO, asegurando un vacio estable.
3. Campos taquionicos en cosmologia y energia oscura
Los campos taquionicos tambien han encontrado aplicaciones profundas en cosmologia, especificamente en modelos de inflacion cosmica y energia oscura.
Algunos modelos inflacionarios sugieren que la rapida expansion exponencial del universo temprano fue impulsada por un campo taquionico descendiendo por su potencial hacia el minimo. Dado que la energia cinetica del campo taquionico en movimiento esta acotada, proporciona un mecanismo natural para la inflacion de "rodamiento lento", donde el universo se expande suavemente antes de que el campo alcance el fondo del potencial y recaliente el universo.
De manera similar, en la cosmologia de cuerdas, el taquion rodante sobre una D-brana en descomposicion tiene una ecuacion de estado que se comporta notablemente como la energia oscura (o quintaesencia). A medida que el campo taquionico se acerca a su minimo, su presion se aproxima al negativo de su densidad de energia ($p \to -\rho$), que es exactamente la propiedad requerida para impulsar la expansion acelerada observada del universo.
Conclusion
Cuando un fisico teorico moderno habla de taquiones, casi nunca se refiere a naves espaciales de ciencia ficcion viajando mas rapido que la luz. Se refiere a las profundas matematicas de las inestabilidades del vacio. La condensacion taquionica es el mecanismo del universo para romper espontaneamente la simetria y generar las estructuras complejas y masivas que observamos a partir de un vacio inicialmente inestable y sin masa.