lunes, 1 de abril de 2019

El más allá del Modelo Estándar - Xabier Marcano

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:
[1] DUNE Collaboration: http://www.dunescience.org
[2] Misión PLANCK de la ESA: https://www.cosmos.esa.int/web/planck

Xabier Marcano
Doctor en Física Teórica.
Investigador postdoctoral en el Laboratoire de Physique Théorique de Orsay, Francia.

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