El más allá del Modelo
Estándar: futuros pasos en física de partículas.
¿Entendemos
la física de partículas? ¡Por supuesto! Tenemos hasta un modelo. ¡EL! modelo:
el Modelo Estándar de física de partículas. Esta es la primera respuesta que
nos encontramos en muchos sitios y de muchas personas. Argumentos no faltan,
desde luego, pues sabemos mucho de la física de partículas y este modelo es una
de las teorías más exitosas de la historia. Pero… ¿sabemos lo suficiente? No
voy a ser yo quien responda a esta pregunta, prefiero que lo hagas tú. Yo solo
quiero contarte algunas de las ideas que se discuten a día de hoy y que podrían
ser importantes en el futuro.
Sin
embargo, antes de empezar déjame aclarar dos cosas. Primero, es imposible
comprender el presente o imaginarse el futuro de nada sin conocer antes su historia.
Nuestro pasado define quiénes somos y señala hacia dónde podría ir nuestro
futuro. Por eso te recomiendo que antes de seguir leas el capítulo “El Modelo
Estándar de la Física de Partículas”, de Claudia García en este mismo libro.
Segundo,
hablar del futuro es muy difícil. Vamos a hablar de cosas que no se entienden
hoy, pero que nos gustaría entender mañana. Como te podrás imaginar, es muy
probable que parte — ¡o todo! — de lo que digamos aquí resulte estar mal dentro de
unos años. ¡No pasa nada! No por miedo a equivocarnos deja de ser divertido
hablar de lo desconocido. Y si nos equivocamos, que lo haremos, ya se
encargarán los historiadores del futuro de corregirnos.
Dicho
esto, estamos preparados para hablar de algunos de los grandes pasos que
podríamos dar para entender mejor la física de lo muy pequeño. Lo vamos a hacer
sin ningún orden en particular y de la manera más independiente posible, de
forma que puedas saltar directamente al tema que más te interese. Habrá temas
que se queden fuera —como la gravedad, que la dejamos para el capítulo de
Enrique Álvarez —, pero si te gustara saber más de otros temas no tengas miedo
en preguntárnoslo. Empecemos.
Fig.1. Posibles
caminos hacia la nueva física. Ilustración de Niceto
Marcano.
¿Higgs, eres tú?
El
descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC supuso encontrar la pieza perdida
del Modelo Estándar y, como cuando se coloca la última piedra de un arco, le
dio la consistencia que toda gran teoría necesita. Pero el Modelo Estándar no
predice solo su existencia, sino también muchas de sus propiedades. Es hora de
ponerlas a prueba.
El
LHC ya ha conseguido comprobar algunas de las propiedades del bosón de Higgs —
o simplemente Higgs, para los amigos —, como su carga y espín, o sus
interacciones con algunas de las partículas más pesadas. Esto último es
importante para ver que entendemos bien las cosas. Fíjate que decimos que la
masa de una partícula depende de su interacción con el Higgs, así que los
experimentos deberían ser capaces de ver que la intensidad con la que se
relacionan con el Higgs está relacionada con su masa. Las de mayor masa se hablan más fuerte con el Higgs, a
grito pelado vamos, por lo que el LHC ya ha conseguido medir este efecto. Las
más ligeras, en cambio, solo cuchichean con el Higgs, así que es muy difícil
que nos enteremos de lo que dicen en el LHC, o incluso en otros experimentos
que vendrán después. Pero bueno, con lo que ha visto el LHC hasta ahora parece
que todo marcha a pedir del Modelo Estándar.
Fig.2. La física de Higgs podría esconder muchos secretos todavía.
Pero
todo esto del Higgs genera una pregunta inmediata. Si la masa de las partículas
viene de su interacción con el Higgs, ¿de dónde viene la masa del propio Higgs?
No es fácil contestarlo. La respuesta fácil sería algo como ‘yo no he sido, estaba así cuando yo llegué’.
La respuesta real es más compleja, pero el mensaje es parecido. Resulta que el
Higgs es distinto a las demás partículas del Modelo Estándar. No es un fermión
que hace de ladrillo, pero tampoco es
el bosón mensajero de ninguna fuerza. Es un bosón, sí, pero sin espín. Es el
más soso de todos si quieres. Tan soso que nadie se ha molestado en prohibirle
que tenga masa, como sí han hecho con el resto de partículas. El Higgs podía
tener la masa que quisiera y, de hecho, hasta que apareció en el LHC no
sabíamos que había elegido ser 125 veces más pesado que el protón. Por qué este
valor y no otro es algo que no sabemos. De hecho, nos podríamos esperar algo
mucho más grande. Pero la cosa es que saber este número era vital para el
Modelo Estándar porque con él la teoría nos dice el resto de sus propiedades,
como la velocidad con la que se desintegra o cómo de intensa es su interacción
consigo mismo.
Sí,
como lo lees, los bosones de Higgs socializan entre ellos y lo mejor es que no
sabemos cómo. Bueno, miento, el Modelo Estándar sí que lo sabe. Nos dice la
frecuencia con la que se juntan tres o hasta cuatro bosones de Higgs. Grupos
más grandes ya no, porque se le va de las manos. Claro que estas son solo las
predicciones teóricas, hace falta medirlo en los experimentos y, por desgracia,
es muy difícil que el LHC consiga hacerlo. Es probable que tengamos que esperar
a experimentos futuros, por lo que podemos decir que a día de hoy no tenemos ni
idea de cómo se comportan los bosones de Higgs en sus reuniones.
Llegados
a este punto es probable que pienses que no sabemos nada del Higgs. Es la única
partícula fundamental sin espín y no sabemos por qué. Y podrían tener una secta
bosónica secreta montada entre ellos y nosotros aquí sin enterarnos. Bueno,
razón no te falta, pero piensa que hace solo siete años que sabemos de su
existencia, así que todavía nos queda mucho que aprender.
Sin
embargo, es precisamente éste el motivo que lleva a mucha gente a estudiar en
detalle todo lo que rodea al Higgs. Muchos intentan explicar por qué tiene la
masa que tiene. ¿Te has fijado que se parece mucho a la masa de los bosones W y
Z? ¿Será casualidad? Hay a quien lo que le mosquea es que sea la única
partícula fundamental sin espín y que piensa que si hay una, debería haber más
— si hay tres familias de materia, ¿por qué iba a haber solo un Higgs?—. O
puede que simplemente el Higgs no sea tan fundamental como dice ser, sino que
esté formado de otras partículas que desconocemos. También hay quien piensa que
podría estar relacionado con alguna nueva fuerza, como ocurre con los otros
bosones. Quién sabe.
Un
mundo abierto de posibilidades que descubriremos al estudiar cómo interactúa el
bosón de Higgs con el resto de partículas y, puede que sobre todo, consigo
mismo. Porque es precisamente en todo esto que todavía no sabemos dónde podría
estar escondido el gran paso hacia la nueva física.
Esos malditos neutrinos.
Se dice
de los neutrinos que son unos bichos raros, aunque, como ocurre a menudo,
confundimos raro con incomprendido. Solemos decir que son distintos a las demás
partículas que conocemos — ¿y cuál no? —, pero su mayor diferencia puede que
sea la dificultad para estudiarlos en los experimentos.
Todo
sea dicho, los neutrinos no lo ponen fácil. Son como ninjas capaces de
atravesar la Tierra entera sin dejar rastro alguno. Entonces, ¿cómo los
estudiamos? Es más, ¿cómo sabemos que existen? La verdad es que responder a
estas preguntas podría llevarnos un libro entero, así que mejor resumirlo en
tres ingredientes básicos: ingenio, tamaño y paciencia.
Hace
falta ingenio para diseñar una forma de detectarlos, para lo que es importante
un buen conocimiento de física de partículas. Los neutrinos son invisibles para
nosotros y nuestras herramientas, pero en ciertas condiciones pueden hacer
aparecer otras partículas que sí vemos, como electrones o muones. Midiendo
estas últimas, podemos deducir que por ahí ha pasado un neutrino. Por supuesto,
también hace falta mucho ingenio para desarrollar el experimento y la
tecnología necesaria para medir estas señales, que en algunos casos no son más
que pequeños destellos de luz casi indetectables. El problema es que, aún con
el mejor de los detectores, la probabilidad de cazar un neutrino sigue siendo muy pequeña. Por suerte, esto se
puede compensar con tamaño y paciencia, como cuando compras muchos boletos de
la lotería y juegas muchas veces. Por esto, normalmente los experimentos de
neutrinos tienen detectores enormes y funcionan durante muchos años, para
aumentar sus probabilidades de detectar muchos neutrinos y poder estudiarlos.
Gracias
a su naturaleza evasiva, durante mucho tiempo han conseguido mantener ocultas
algunas de sus propiedades más importantes, como su masa. Según el Modelo
Estándar los neutrinos no tienen masa, y así se pensaba hasta que los
experimentos SuperKamiokande y SNO demostraron lo contrario. Esto
ocurrió en los años 1998 y 2002, respectivamente, cuando consiguieron medir un
efecto que solo puede ocurrir si los neutrinos tienen masa: las oscilaciones de
neutrinos.
Las
oscilaciones de neutrinos son una consecuencia de la mecánica cuántica, pero
podemos entenderlo con un jamón y una monja. ¿Has probado alguna vez a decir jamón muchas veces y muy rápido? Tras un
periodo un poco confuso, te encontrarás diciendo claramente monja, y si sigues al rato volverás a
decir jamón. Oscilarás entre una
palabra y otra pasando por un periodo en el que dices una combinación de las
dos. Con los neutrinos pasa lo mismo, oscilan entre los tres tipos de neutrinos
que existen. Por ejemplo, un neutrino puede producirse de tipo muónico, pero
luego detectarse como tipo electrónico. Esto fue lo que midieron los
experimentos de SuperKamiokande y SNO primero, y muchos otros después.
Fig.3
Las oscilaciones de neutrinos se parecen al juego de palabras entre jamón y
monja. Empezamos diciendo jamón, luego monja, luego jamón,…
Durante
los últimos años han sido muchos los experimentos que han ayudado a aprender
sobre los neutrinos. Sabemos que a los tres tipos de neutrinos les gusta
mezclarse entre ellos, todos con todos, y que tienen tres masas distintas,
aunque todavía no sabemos de cuánta masa estamos hablando. Tampoco sabemos cuál
de ellos es el más ligero y cuál el más pesado, ni si los neutrinos y
antineutrinos se comportan igual. Es más, ni siquiera sabemos muy bien cuál es la
diferencia entre neutrinos y antineutrinos. Vale, esto es muy raro, ¿cómo no
vamos a saber diferenciar una partícula y su antipartícula?
Las
diferencias entre partícula y antipartícula son sus cargas. Son iguales en todo
pero con cargas, por ejemplo la eléctrica, opuestas. ¿Qué pasa entonces si una
partícula no tiene carga? Este es el caso del neutrino, que no tiene carga
eléctrica. ¿Quiere decir esto que el antineutrino es igual que el neutrino? La
pregunta real es un poco más compleja porque existen más cargas que la
eléctrica, pero la respuesta es igual de simple: no tenemos ni idea. Los
experimentos de oscilaciones de neutrinos no pueden responder a esta pregunta,
pero existen otros experimentos que sí y, con un poco de suerte, nos lo dirán
en un futuro cercano. A día de hoy, no sabemos si un antineutrino es distinto a
un neutrino —llamado neutrino de Dirac—
o si son lo mismo —neutrino de Majorana—.
Esto último sería un bombazo en la física de partículas, puesto que todos los
demás fermiones tienen partículas y antipartículas bien distintas, y haría que
los neutrinos fuesen realmente especiales.
Lo
más interesante es que nada de esto ocurriría si, como dice el Modelo Estándar,
los neutrinos no tuviesen masa. ¿Quiere decir que esta especie de metamorfosis
cuántica de los neutrinos nos está diciendo que el Modelo Estándar está mal?
¡Sí! y sin duda necesitamos una nueva teoría más completa. El problema es que
no sabemos cuál… De hecho, a día de hoy se han propuesto decenas de teorías,
cada una con sus partes buenas y malas. En muchas de ellas, se piensa que
existen nuevos neutrinos que todavía están por descubrir. Se piensa incluso que
estos podrían ser la materia oscura que buscamos, o los responsables de haber
producido la diferencia necesaria entre materia y antimateria para que exista
el universo pero no el antiuniverso. Claro que para demostrar que estas teorías
son ciertas deberíamos encontrar estos nuevos neutrinos, y por ahora ningún
experimento ha sido capaz de lograrlo.
Poco
a poco vamos comprendiendo los neutrinos. Una vez más, ¡el secreto está en la
masa! ¿Tendrán los neutrinos alguna relación con el bosón de Higgs? Tampoco lo
sabemos todavía. Lo que sí sabemos es que descubrir el modelo detrás de la masa
de los neutrinos será un gran paso para la física de partículas.
Fig.4. Experimentos
futuros como DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) en Estados Unidos nos
ayudarán a descubrir los misterios que esconden los neutrinos. Neutrinos
producidos en el laboratorio de Fermilab, cerca de Chicago, son enviados a
través de la Tierra hasta un detector a 1300 km. para poder estudiar las
oscilaciones de neutrinos. Fuente: DUNE collaboration [1].
El antiuniverso perdido.
Todos
perdemos cosas. ¿Quién no ha perdido alguna vez las llaves, la cartera o hasta
el gato? Pero si miramos atrás, muy atrás, en la historia, nos encontramos con
la mayor pérdida de todas. ¡Hablamos de un universo entero! O más bien, de un
antiuniverso.
Bueno,
dicho así puede parecer que hablamos de una película de ciencia ficción, pero
la realidad tampoco desmerece. Hablamos de toda la antimateria que se creó al
principio de los tiempos y que ya no está. De la batalla entre materia y
antimateria de la que salió victoriosa la materia y surgimos nosotros. Pudo ser
al revés. Pudo no haber quedado nada tras la batalla.
La
teoría del Big Bang nos explica cómo fue el principio de nuestra historia. Nos
dice que poco después del Big Bang todo era una sopa muy caliente de luz,
materia y antimateria, o mejor dicho, de las partículas y antipartículas que
las componen. Como puede que sepas ya, al juntarse partícula y antipartícula se
destruyen formando fotones de luz. Al mismo tiempo, los fotones se pueden
juntar para crear parejas partícula-antipartícula, de modo que el proceso
ocurre en las dos direcciones, como si de un partido de tenis se tratase. Según
avanza el tiempo, el universo se enfría, haciendo este intercambio cada vez más
difícil, como si la red de tenis se hiciese demasiado alta de superar. Fin del
partido.
En
realidad, lo que ocurrió se parece más a que, en un momento, los fotones se
cansasen de jugar, de devolver la pelota en forma de pareja
partícula-antipartícula. En el otro lado de la pista, en cambio, las partículas
y antipartículas se siguen destruyendo mutuamente para generar fotones que
lanzar, ignorantes de que al otro lado no hay nadie con quien jugar. El final
de este partido solo puede ser uno: toda la materia acabará destruida junto con
la antimateria, dejando un rastro de luz que ni en las mejores ferias.
Entonces, ¿cómo es posible que existamos?
Dado
que nosotros estamos hechos de materia, parece claro que en algún momento la
balanza entre partículas y antipartículas se desniveló, de modo que al final de
este partido de tenis, cuando la antimateria se abalanzó contra la materia,
quedó un remanente de materia. En algún momento se crearon más partículas, o se
perdieron más antipartículas, como prefieras. La diferencia fue de una
partícula extra por cada mil millones de antipartículas. Parece un número
ridículo, ¿verdad? Pero este 0.0000001% extra somos nosotros y el resto del
universo que vemos.
Es
increíble que una diferencia tan pequeña tenga unas consecuencias tan grandes,
por lo que es inevitable preguntarse por su origen. Antes hemos dicho que la
luz, los fotones, crean las partículas y antipartículas siempre en pareja, así
que siempre tendremos el mismo número de ambas. ¿De dónde viene entonces esta
diferencia?
Por
suerte para nuestra existencia, no es luz todo lo que nos rodea. Existen otro
tipo de interacciones, de fuerzas, entre las partículas, todas aquellas que
describe el Modelo Estándar. Entre ellas está la interacción nuclear débil, que
resulta que trata ligeramente distinto las partículas que las antipartículas.
Esto quiere decir que, si el partido de tenis lo arbitrase la fuerza débil en
vez de la electromagnética, el partido podría estar amañado a favor de la
materia.
Este
efecto de la interacción débil se ha estudiado bien entre los quarks en
experimentos y se está estudiando ahora entre los neutrinos. Por desgracia, las
predicciones del Modelo Estándar no son suficientes para explicar el exceso de
materia del universo.
Este
problema se conoce como asimetría
bariónica del universo, en referencia a los bariones, como protones o
neutrones, que forman la materia que vemos en el universo. A día de hoy
seguimos sin saber qué originó esta diferencia entre materia y antimateria,
pero existen toda clase de nuevas teorías que intentan explicarlo. Algunas de
ellas, culpan a la materia oscura o a los neutrinos. Todas ellas son opciones interesantes,
pero todavía no tenemos claro qué desequilibró la balanza, llevándose consigo
un posible antiuniverso. Un gran misterio para resolver en el futuro.
El lado oscuro del universo.
Sabemos
mucho de muy poco. Al menos eso es lo que nos dice el universo al mirar cómo se
comporta. Todo lo que sabemos del Modelo Estándar y sus partículas no es más
que el 5% de lo que forma el universo. El resto, un lado oscuro del que sabemos
muy poco.
Al
mirar al cielo, podemos observar planetas, estrellas y galaxias enteras.
Podemos estudiar cómo se mueven, saber si se acercan o se alejan entre sí.
También podemos ver cuánta materia hay en ellas. Esta materia que vemos, la materia visible, es a lo que
nos referimos al hablar del Modelo Estándar y sus problemillas.
Sin
embargo, el cielo nos cuenta mucho más. Por ejemplo, podemos estudiar cómo se
mueven las estrellas dentro de sus galaxias. Según las leyes de la gravedad, el
movimiento de una estrella depende de la cantidad de materia que hay en la
galaxia, ya que es la que se encarga de atraerla y atraparla es su órbita. Pero
como somos científicos, no nos fiamos de lo que dicen las leyes sin
comprobarlo. Para ello, podemos medir la velocidad de las estrellas, compararla
con la materia que vemos en su galaxia y comprobar que la ley de la gravedad se
cumple. Esta medida se ha hecho en muchas galaxias y… ¡no sale bien! Las
estrellas se mueven como si hubiese mucha más materia de la que vemos. ¿Quiere
decir esto que la ley de la gravedad está mal?, ¿o es que hay algo más que no
vemos?
Para
responder a esta pregunta podemos seguir mirando al cielo. Empezamos por
comprobar que las leyes de la gravedad funcionan en otros casos… parece que sí.
¿Será entonces que hay más materia que no podemos ver? Pero, ¿cómo vamos a
estudiar algo que no vemos?
Una
posibilidad en estos casos es simular lo que pasaría si existiese. Usando
ordenadores muy potentes, podemos pedirles que sigan las leyes de la gravedad
desde el principio del universo hasta ahora, y que nos digan cómo hubiese sido
el universo si solo hubiese la materia que vemos. El resultado no es bueno. La
gravedad hace que la materia se atraiga entre sí y se acumule en las galaxias
que vemos hoy en día, pero solo con la materia que vemos la gravedad no es lo
suficientemente potente para que esto ocurra. ¿Y si metemos un poco de esta
otra materia que no vemos? A más materia, mayor será la gravedad, podría
funcionar. Y así es, funciona. De hecho, las simulaciones dicen que este nuevo
tipo de materia podría haber tenido un papel clave en la creación de las
galaxias y demás formaciones que vemos hoy en día.
Esta
materia que no podemos ver recibe el original nombre de materia oscura. La razón para no verla es simplemente que no emite
ni reacciona con la luz, o si lo hace es tan poco que no podemos verlo. Por
suerte, su parte materia le hace sentir la gravedad y nos permite aprender un
poco sobre ella. Por ejemplo, mirando choques de galaxias — ¡sí, las galaxias
chocan! — aprendemos que la materia oscura no es muy sociable, que interactúa
muy poco con el resto de materia de su entorno. Se parece un poco a los
neutrinos, poco sociables y que no emiten luz. ¿Será que la materia oscura son
neutrinos?
Los
neutrinos son las únicas partículas del Modelo Estándar que podrían llegar a
ser la materia oscura. Por desgracia, su masa es demasiado pequeña y esto
impide que ayuden lo suficiente en la formación de las galaxias. Sin embargo,
si existiesen nuevos neutrinos más pesados sí que podrían. Este es un ejemplo
de cómo un modelo nuevo podría matar dos pájaros de un tiro, añadiendo nuevas
partículas que estarían detrás de la masa de los neutrinos y serían la materia
oscura que buscamos. No lo voy a negar, este tipo de soluciones conjuntas son
muy interesantes y bonitas — en la escala de la física teórica —, sin embargo a
día de hoy no sabemos qué demonios es la materia oscura.
En
realidad, por saber no sabemos seguro si la materia oscura está formada por una
— o varias — partícula fundamental que no hayamos descubierto todavía, aunque
esta es la hipótesis más común. La esperanza de los rastreadores de materia
oscura es entonces que estas nuevas partículas hablen, aunque sea muy bajito,
con alguna de las partículas que sí podemos ver del Modelo Estándar. Los
experimentos de materia oscura llevan varios años tras este rastro y, aunque no
hayan conseguido encontrar al culpable todavía, la esperanza es lo último que
se pierde.
No
cabe duda que descubrir la naturaleza de la materia oscura sería un gran paso
para la física, ya que estaríamos hablando de entender aproximadamente un 25%
del universo, que sumado al 5% de la materia visible, hacen un total de… un
mísero 30%. ¡Tanto lío para esto! ¿Qué pasa con el resto? El 70% restante es
algo aún más oscuro y desconcertante… es energía oscura.
Para
entenderlo, volvamos al cielo e imaginémonos cómo se ha movido toda la materia
que se creó tras el Big Bang. Al principio, con el impulso inicial, toda la
materia tendería a alejarse entre sí. Pero claro, por otro lado tenemos la
gravedad que intentará atraerla, así que hará de freno primero y pondrá rumbo
de colisión después, como cuando lanzamos una piedra al aire y pensamos que
apartarse no es buena idea. Aplicado al universo, nos deja dos opciones: o bien
el universo todavía sigue expandiéndose, producto de la inercia inicial pero
frenado poco a poco por la gravedad; o bien la gravedad lo ha frenado ya y está
empezando a colapsar. Esto se ha medido observando cómo se alejan algunas
supernovas, que son muy útiles para estos estudios, y el resultado es que el
universo se está expandiendo… ¡pero cada vez más deprisa!
Fig.5. El satélite
Planck ha conseguido la medida más precisa del fondo cósmico de microondas, la
luz más antigua del universo. Estudiando su temperatura en detalle, el modelo
estándar de la cosmología, el lambda CDM (ΛCDM), es capaz de extraer la
composición del universo, que a día de hoy resulta tener aproximadamente un 5%
de materia visible, un 25% de materia oscura y un 70% de energía oscura.
Fuente: ESA [2].
Es
como si algo estuviese empujando las galaxias entre sí, y es muy raro porque la
gravedad es siempre atractiva. ¿Cómo puede ser? ¿Existe la antigravedad o algo así? En cierto modo, se podría decir que sí.
Resulta que en las ecuaciones que propuso Einstein para explicar la gravedad
puede existir una parte que produzca este efecto de antigravedad que explicaría
la expansión acelerada del universo que vemos. Este bicho matemático se conoce
como constante cosmológica y fue, en
sus propias palabras, “el mayor error” de Einstein.
Al
igual que nosotros, Einstein se imaginó el mismo destino para el universo, un
final triste que no le gustó, e introdujo esta nueva parte matemática en sus
ecuaciones que compensase la atracción de la gravedad y dejase un universo
estático, tranquilo, como a él le gustaba. Porque la tranquilidad no se valora
lo suficiente. El propio Einstein reconoció su error al introducir este efecto
basándose en sus propias creencias, pues no tenía motivos científicos para
hacerlo. Años más tarde, al ver que el universo se expande cada vez más rápido,
ha resultado que la constante cosmológica está presente. Los genios son genios
hasta en sus equivocaciones.
La
materia, tanto la visible como la oscura, genera efectos gravitatorios
atractivos, por lo que este tipo de efecto expansivo se asocia a algo distinto,
una especie de energía oscura que
sigue reglas un tanto distintas. Se suele relacionar a la energía que tiene el
propio vacío, por eso también se conoce como energía del vacío.
Un
momento. Esto de que el vacío tenga energía nos suena de algo. Se parece un
poco a lo que ocurre en el mecanismo de Higgs, en el que lo que nosotros
pensábamos que estaba vacío está en realidad lleno de campo de Higgs. ¿Será entonces que el mismo efecto que hace que las
partículas fundamentales tengan masa es el encargado de que el universo se
expanda de manera acelerada? Este cálculo se ha hecho y el resultado es tremendamente
malo. Horrible. Se equivoca en decenas de órdenes de magnitud, por lo que
podría considerarse una de las peores predicciones de la historia de la física.
Nuestro gozo en un pozo, seguimos sin saber qué es la energía oscura.
Como
ves, el lado oscuro domina el universo. Tanto la materia como la energía oscura
son un misterio todavía. Entenderlas será un gran paso para entender de qué
está hecho la mayor parte del universo.
El Modelo Estándar, de héroe a villano.
El
Modelo Estándar funciona muy bien, salvo algunos pequeños cabos sueltos en los
que estamos trabajando. Nos dice cómo funcionan las partículas que transmiten
las tres fuerzas, cómo clasificar las partículas que forman la materia y cómo
el Higgs se encarga de dar masa a todo. Y funciona tan bien que ha pasado de
ser una de las mejores teorías de la física, a convertirse en la peor pesadilla
de cualquiera que quiera construir una nueva teoría. Pero entonces, ¿es éste el
final del viaje?
Si
le preguntásemos esto a un o una investigadora en física teórica, difícilmente
obtendríamos un sí por respuesta, como mucho pondría pose de superhéroe y nos
diría algo como “puede que llegue el día
en que alcancemos el final, un punto donde nuestro conocimiento no pueda
continuar y tengamos que rendirnos; pero hoy no será ese día, no mientras yo
siga aquí preguntándome el porqué de las cosas”.
Y
es que éste es el papel de los físicos y físicas teóricas. Su misión es evitar
que la física se detenga. Su enemigo, el Modelo Estándar de partículas y su
incesante afán de explicarlo todo con éxito. Su mejor arma, una simple
pregunta: ¿por qué? Sé que puede
sonar raro que lo importante sea la pregunta, algo que cualquiera puede hacer.
Puede, incluso, que pienses que los mejores científicos son aquellos que
responden las preguntas, pero estos son solo los más famosos. Los mejores son
quienes encuentran la pregunta, pues no hay respuesta sin pregunta.
Ya
para terminar, te propongo un juego. Pongámonos por un momento la capa de
superhéroe y miremos al Modelo Estándar. Tienes barra libre para preguntarte
todos los porqués que quieras, no te
cortes. Yo te doy algunos ejemplos para arrancar:
-Hemos
dicho que los ladrillos que forman la
materia existen en tres familias,
copias cada vez más pesadas. ¿Por qué tres y solo tres? ¿Hay algo mágico en
este número? ¿Habrá más?
-La
diferencia entre las familias es la masa, y la masa se la da el Higgs, pero
¿por qué tienen la masa que tienen y no otra? Tenemos algunas partículas muy
muy ligeras, como los neutrinos, y otras muy muy pesadas, como el quark top.
¿Por qué son tan distintas?
-¿Por
qué en el Modelo Estándar hay tres fuerzas y por qué son como son? Quizá
existen más fuerzas, quién sabe, con nuevas partículas y todo, que están ahí
aunque nosotros no las conozcamos todavía. Como un nuevo continente esperando a
ser descubierto.
-Hace
más de cien años se dieron cuenta de que la electricidad y magnetismo eran dos
caras de la misma moneda, el electromagnetismo.
Años más tarde, resultó que el electromagnetismo era una parte de una fuerza
más compleja, la fuerza electrodébil.
¿Por qué parar aquí? A lo mejor la fuerza electrodébil viene de una nueva
fuerza. Tal vez la fuerza nuclear fuerte también. Puede que incluso de la misma
fuerza, y no sean más que distintas caras de la misma moneda. ¿Te lo imaginas?
Una única fuerza para dominarlas a todas.
Este
tipo de preguntas son el pan de cada día de muchos teóricos y teóricas. Por
darte un ejemplo, hay quien va en busca de la teoría de gran unificación, este santo grial que mencionábamos en
el que todas las fuerzas vienen de una más simple.
Pretenden entender la propia estructura del Modelo Estándar, por qué la materia
viene en packs indivisibles de tres o
por qué hay partículas tan ligeras y otras tan pesadas. Encontrar la
explicación a estas preguntas es muy difícil, sobre todo porque no vale con dar
una respuesta, hay que justificarla con predicciones que podamos demostrar en
los experimentos. Todo un reto que hasta ahora ninguna teoría ha sido capaz de
superar.
Por
suerte, estos superhéroes del porqué
tienen la ayuda de los experimentales, quienes han sido capaces de encontrar
fisuras en la reluciente armadura del Modelo Estándar. Aquí hemos contado
algunas de ellas, pero déjame insistir en que hablar del futuro es difícil, y
que lo que hemos dicho aquí hoy puede que sea mentira mañana. Habrá problemas
resueltos y nuevos problemas por resolver. Como suele decirse, no serán todos los que están, pero seguro
que no están todos lo que serán.
El
tiempo — más bien el trabajo de investigadores e investigadoras — dirá si estas
fisuras que hemos visto son lo suficientemente grandes como para romper la
armadura y obligarnos a construir un nuevo modelo, o si necesitaremos encontrar
más. Y para ello habrá que seguir haciéndose preguntas. Porque recuerda, un
buen ¿por qué? puede ser el mayor de
los pasos hacia una nueva teoría.
Referencias:
Xabier Marcano
Doctor
en Física Teórica.
Investigador
postdoctoral en el Laboratoire de Physique Théorique de Orsay, Francia.
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