Estos son tiempos emocionantes, dice Sijbrand de Jong. Durante medio siglo, su rama de la física parecía poco más que un ejercicio de relleno, dice el profesor de física experimental de la Universidad de Radboud en Nijmegen. “A finales de los años sesenta se lanzó la teoría, el llamado Modelo Estándar. Los teóricos predijeron la existencia de nuevas partículas y se nos permitió confirmarlo. Eso es diferente ahora. Sabemos que el Modelo es preocupante, pero no tenemos idea de dónde buscar la respuesta. Estamos completamente a oscuras. Ahora la física vuelve a ser divertida”.
No se veía así hace diez años. Entonces la física moderna alcanzó un nuevo hito. Con un triunfante «Lo tenemos», los investigadores del acelerador de partículas en Ginebra anunciaron el 4 de julio de 2012 que habían encontrado el ilustre bosón de Higgs. El hallazgo completó el Modelo Estándar. El bosón de Higgs encajaba perfectamente, dice De Jong. “Se veía exactamente como se esperaba. Sus propiedades coincidieron con las predicciones e hizo lo que se suponía que debía hacer: dar a las otras partículas la masa correcta”.
Bueno, una cosa entonces. El bosón de Higgs es demasiado ligero. “En esta masa, el vacío, el espacio vacío, no es realmente estable. Según la teoría del Modelo Estándar, el universo podría haber implosionado y ya habríamos perecido. Dado que todos pueden concluir que esto no ha sucedido, la teoría bien puede estar equivocada”.
Ballet en una colina
Eric Laenen, profesor de física teórica de partículas en la Universidad de Amsterdam, no lo formularía tan extremo. El universo parece estar en una especie de mínimo metaestable en esta masa de Higgs. Como una pelota que yace en la cima de una colina, pero en un hoyo: un pequeño empujón y la pelota sigue rodando colina abajo. Laenen: “La teoría dice que tarde o temprano el universo colapsará. Pero los cálculos muestran que solo será muchos millones de veces la vida útil del universo».
Es más una cuestión filosófica, piensa. Por ejemplo, hay más preguntas importantes para las que el modelo estándar no tiene respuesta. Sobre la naturaleza de la materia oscura, por ejemplo, que según los astrónomos consiste en la mayor parte de la masa en el espacio. O por qué (casi) solo hay materia y no antimateria, mientras que el Modelo aboga por una distribución equitativa.
Las preguntas indican que la teoría no está completa, pero en su práctica diaria los físicos las hacen a un lado. No ofrecen pistas para investigar dónde está el problema. Mientras tanto, el Modelo Estándar funciona excelentemente. Laenen: “No existe otra teoría en la física que prediga con tanta precisión cómo funcionan los procesos o cuáles son las propiedades de las partículas”.
Han aparecido grietas en esa perfección durante el último año. Nuevos experimentos, o más bien, nuevos análisis de datos experimentales se desvían de las predicciones del Modelo (ver recuadro). Estas son diferencias menores, a menudo menos de un mil, pero debido a que la teoría proporciona predicciones tan exactas, las desviaciones ya han dado lugar a algunos latidos serios. ‘El modelo estándar necesita ser revisado’, sonaba cada vez. Porque, a diferencia de las preguntas anteriores, estas desviaciones pueden ser contrastadas y ofrecen la posibilidad de fundamentar una nueva teoría.
Espacios abiertos
Este desarrollo no es muy sorprendente, dice Sijbrand de Jong. “Todavía había espacios abiertos en el Modelo. Conocíamos la existencia de algunas partículas, pero teníamos que deducir sus propiedades de la teoría. Ese cálculo contenía algunos grados de libertad, lo que ofrecía la posibilidad de hacer que todo fuera concluyente. Ahora que conocemos todas las partículas, esa libertad es limitada y podemos investigar si las medidas se corresponden entre sí. Y ese no parece ser el caso aquí y allá”.
La anomalía reportada más recientemente se refiere a la masa del llamado bosón W, la partícula responsable de la fuerza nuclear débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que juega un papel en el núcleo de los átomos. Los investigadores que trabajan en el acelerador de partículas Tevatron cerca de Chicago (el acelerador se cerró en 2011) escribieron en la revista el mes pasado ciencia que habían analizado datos antiguos con nuevas técnicas. Esto mostró que el bosón W era mucho más pesado de lo esperado, hasta un 0,09 por ciento más que el valor teórico. Eso no parece mucho, pero es siete veces más que la desviación estándar, digamos el ancho de banda de la medida.
De Jong aún no está convencido de que esa sea la llave con la que se pueda romper el Modelo Estándar. Especialmente porque todas las demás medidas de la masa W estaban cerca del valor teórico. Le recuerda al automovilista que es advertido por radio por un conductor en sentido contrario: “¿Un conductor en sentido contrario? ¡Veo docenas de conductores fantasmas!”.
Martijn Mulders, un físico de partículas que trabaja en el instituto acelerador CERN en Ginebra, no está de acuerdo con él. “¿Un conductor fantasma? Tiene GPS a bordo. La gente de Chicago sabe muy bien hacia dónde va. Supongo que hicieron un buen trabajo y solo puedo concluir que hicieron la determinación de masa más exacta. Por lo tanto, es muy sorprendente que este sea tan diferente del resto”.
Oportunidad
Mulders enfatiza que el resultado aún debe ser confirmado por otros grupos. Una medida no cuenta en física. Los resultados del llamado experimento CMS de Ginebra, que se esperan para 2023, se esperan con especial entusiasmo. De Jong aún no apuesta por ello. “En este tipo de investigación, el azar juega un papel. Dado que innumerables grupos buscan grietas en el sistema, existe una posibilidad real de que alguien parezca accidentalmente dar en el blanco”. Pero, admite, el bosón W es un caso especial. “Está fuertemente ligado al bosón de Higgs y al quark top. Esas tres partículas pesadas forman el núcleo del Modelo. Entonces, si hay un lugar en el Modelo donde pueden surgir problemas, es en el complejo de esos tres”.
Supongamos que las anomalías se confirman en nuevos estudios y la física tiene que aceptar que el modelo estándar se queda corto aquí, ¿entonces qué? Entonces tenemos un hilo suelto, pero ¿cómo se tira de él?
Esto se puede hacer de dos maneras, dice Mulders. De acuerdo con la teoría cuántica, que subyace en el modelo estándar, las partículas pueden aparecer continuamente de la nada en este micromundo, después de lo cual ejercen su influencia durante un tiempo y desaparecen nuevamente. La teoría dicta que debes incluir todas esas influencias en tus cálculos, pero en la práctica los físicos solo consideran las más probables. Mulders: “Para que pueda ampliar su cálculo e incluir factores adicionales”.
Opción dos: introducir nuevas partículas. “Eso suena a ciencia ficción”, dice Mulders, “pero ya se ha mostrado antes. Cuando medimos la masa del bosón W con mayor precisión en la década de 1990, pudimos predecir la masa del quark top. Aunque nunca antes habíamos observado ese quark top. De manera similar, ya sabíamos aproximadamente cuán masivo debería ser el bosón de Higgs antes de que lo descubriéramos”.
Hay una diferencia: el bosón de Higgs y el quark top ya estaban dibujados en el Modelo Estándar, ahora los físicos están completamente a oscuras. Será un mejor trabajo de detective, reconoce el teórico Eric Laenen. “Tenemos que conformarnos con pruebas circunstanciales. Como si tuviéramos que resolver un crimen mientras falta el arma homicida”.
Herméticamente
Y no es tan fácil introducir una nueva partícula. El modelo estándar está construido herméticamente. Todos los puestos están ocupados. No puedes simplemente expandir eso. En su artículo sobre el bosón W, los investigadores de Chicago sugieren un viejo conocido: la supersimetría. El Modelo conoce partículas que son materia, como quarks y electrones, y partículas que son fuerza, como fotones. En la supersimetría, cada partícula obtiene una imagen especular del otro mundo.
Esa teoría ha sido popular durante mucho tiempo, dice Laenen. “Estéticamente fue muy agradable y la teoría tenía suficiente flexibilidad para lidiar con los problemas”. Pero la práctica fue decepcionante. Una vez que los físicos comenzaron a trabajar en el concepto general, se volvió menos bonito, dice. “Muchos físicos tienen una taza de café que contiene la fórmula del modelo estándar. Para hacer algo similar a la supersimetría, necesitarías un balde”.
De Jong ya no cree en ello en absoluto. “La supersimetría predice la existencia de nuevas partículas. Bueno, hemos estado luchando por esas partículas durante los últimos años. No encontré nada en absoluto. Los teóricos siempre ven un resquicio en el que aún se puede hacer algo, pero yo diría: esa idea se puede descartar”.
¿Pero entonces, qué? A menudo se menciona la teoría de cuerdas, pero el mercado de modelos teóricos es mucho mayor, dice Laenen. No comenta sobre los contendientes. “Soy un agnóstico. No especulo, como simple mortal prefiero escuchar lo que la naturaleza tiene para decirme.”
Es decir: medir, medir y volver a medir. Tenemos que determinar con mucha precisión qué tan grandes son las desviaciones, dice Mulders. “Entonces también sabremos cuáles de los hallazgos actuales son reales y cuáles fueron un efecto coincidente en los procesos”.
Laenen compara la situación actual con la de hace más de un siglo. Luego, algunos hilos sueltos en la teoría clásica condujeron a una física completamente nueva. “Las preguntas sutiles de hoy podrían resultar ser la calma antes de una gran tormenta en el negocio”.
El modelo estándar
El modelo estándar une los elementos básicos de toda la materia, como los quarks, los electrones y los neutrinos, con las fuerzas que estos elementos básicos ejercen entre sí, como la fuerza electromagnética. El modelo describe y predice todas las interacciones entre partículas atómicas. El Modelo Estándar debe su robustez a su simetría; se mire como se mire, las ecuaciones matemáticas siguen siendo las mismas.
Pero también hay problemas. Por ejemplo, la gravedad no encaja. Además, las partículas del modelo pueden no tener masa; entonces se pierde la simetría. Pero en nuestra observación, las partículas tienen masa. Ese problema se resolvió con el mecanismo de Higgs. Esto le da al espacio una especie de viscosidad, que tiene el mismo efecto que una masa lenta. Este mecanismo produjo una partícula extra en el Modelo: el bosón de Higgs. Y que, tras una larga búsqueda, también se encontró en la realidad.
Pequeñas diferencias, grandes novedades
Tres análisis de medidas que arrojan dudas sobre el Modelo Estándar fueron noticia el año pasado. Primero fue la descomposición de los llamados mesones B. El modelo predice que estas partículas se transforman en un electrón y un antielectrón con la misma frecuencia que un par de muones (un muón es el hermano del electrón). Pero en el acelerador de Ginebra vieron una diferencia: por cada 100 pares de electrones, solo vieron 85 pares de muones. Un mes después, los físicos del experimento Muon g-2 cerca de Chicago vieron que el momento magnético de los muones era ligeramente mayor de lo que predecía la teoría. Sin embargo, ambos hallazgos aún no cumplían con el estándar de oro de la física en cuanto a precisión.
Esto fue cierto para la medición de la masa del bosón W en el acelerador de partículas Tevatron cerca de Chicago (ver artículo principal). Ahora bien, esta medida se considera ‘difícil’: el bosón W solo existe durante un tiempo muy breve y se desintegra, entre otras cosas, en un neutrino que no se ve en el detector. Por lo tanto, los físicos tienen que reconstruir el proceso de descomposición, lo que requiere un alto grado de precisión.