Las últimas mediciones de partículas elementales son inexplicables

Como físico del Large Hadron Collider (LHC) en Cern, una de las preguntas más frecuentes que me suelen hacer es "¿cuándo vais a encontrar algo?". Resistiendo la tentación de responder sarcásticamente "¿además del bosón de Higgs, que ganó el Premio Nobel, y de toda una serie de nuevas partículas compuestas?", caigo en la cuenta de que el motivo de esta frecuente pregunta es la forma en que contamos el progreso de la física de partículas al público general.

Parece que cada vez hay más evidencia de que necesitamos algo de nueva física

Frecuentemente hablamos de este progreso en términos de descubrimiento de nuevas partículas, y a menudo es así. El estudio de una nueva partícula muy pesada nos ayuda a distinguir los procesos físicos subyacentes, casi siempre sin un molesto ruido de fondo. Esto facilita la explicación del valor del descubrimiento al público y a los políticos.

Recientemente, sin embargo, una serie de precisas mediciones de partículas y procesos ordinarios de sobra conocidos han amenazado con sacudir nuestro entendimiento de la física. Con el LHC preparándose para funcionar a un nivel de energía e intensidad mayores que nunca, es el momento de empezar a discutir ampliamente sus implicaciones.

La verdad es que la física de partículas siempre ha transcurrido de dos maneras, una de las cuales es el descubrimiento de nuevas partículas. La otra es haciendo mediciones muy precisas que ponen a prueba las predicciones de las teorías y buscan desviaciones sobre lo que se espera.

Por ejemplo, la evidencia temprana de la teoría de la relatividad general de Einstein procedió del descubrimiento de pequeñas desviaciones en las posiciones aparentes de las estrellas y del movimiento de Mercurio en su órbita.

Tres hallazgos clave

Las partículas obedecen una teoría contraintuitiva, pero de enorme éxito, llamada mecánica cuántica. Esta teoría muestra que las partículas demasiado masivas como para producirse directamente en una colisión en el laboratorio pueden influir en lo que hacen otras partículas (a través de algo llamado "fluctuaciones cuánticas"). Pero las mediciones de estos efectos son muy complejas y mucho más difíciles de explicar al público.

Los recientes resultados que sugieren una nueva física inexplicable más allá del modelo estándar son de este segundo tipo. Estudios detallados del experimento LHCb encontraron que una partícula conocida como ‘beauty quark’ [cuark fondo o quark b] (los cuarks forman los protones y neutrones del núcleo atómico) "decae" (se desintegra) en un electrón con mucha más frecuencia que en un muón (el hermano más pesado del electrón, pero idéntico en todo lo demás). Según el modelo estándar, esto no debería pasar, lo que sugiere que nuevas partículas o incluso fuerzas de la naturaleza pueden influir en el proceso.

Sin embargo, resulta intrigante que las mediciones de procesos similares en los que intervienen los ‘quarks top’ [cuark arriba o quark a] realizadas por el experimento ATLAS en el LHC muestran que la desintegración se produce con la misma frecuencia en el caso de los electrones y los muones.

Mientras tanto, el experimento Muon g-2 en el Fermilab norteamericano ha realizado recientemente estudios muy precisos sobre cómo los muones se ‘tambalean’ cuando su espín (una propiedad cuántica) interactúa con los campos magnéticos circundantes. Este experimento encontró una pequeña pero significativa desviación de algunas predicciones teóricas, algo que vuelve sugerir que pueden estar actuando fuerzas o partículas desconocidas.

El último y sorprendente resultado es una medida de la masa de una partícula fundamental llamada bosón W, que lleva la fuerza nuclear débil que gobierna la desintegración radiactiva. Tras muchos años de recolección y análisis de datos, el experimento — también en el Fermilab — sugiere que es significativamente más pesado de lo que predice la teoría, desviándose en una cantidad que no pasaría por casualidad en más de un millón de experimentos. De nuevo, es posible que existan partículas aún no descubiertas que están aumentando su masa.

Es interesante, sin embargo, que esto no concuerde con algunas mediciones de menor precisión del LHC (presentadas en este estudio y éste).

El veredicto

Aunque no estamos absolutamente seguros de que estos efectos necesiten de una explicación novedosa, parece que cada vez hay más evidencia de que necesitamos algo de nueva física.

Por supuesto, habrá casi tantos nuevos mecanismos propuestos para explicar estas observaciones como hay teóricos de la física. Muchos recurrirán a diversas formas de “supersimetría”. Esta es la idea que dice que hay el doble de partículas fundamentales de lo que pensábamos en el modelo estándar, en el que cada partícula tiene una "superpareja". Puede tratarse de bosones de Higgs adicionales (asociados al campo que da masa a las partículas fundamentales).

Otros irán más allá, invocando ideas como el ‘technicolor’ [teorías más allá del modelo estándar que nos llevan a la ruptura de la simetría electrodébil — N.T.], lo que implicaría que existen fuerzas adicionales de la naturaleza (además de la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte) y que el bosón de Higgs es en realidad un objeto compuesto por otras partículas. Sólo nuevos experimentos revelarán la verdad de este tema, lo que es una buena noticia para los empiristas.

Los equipos empíricos detrás de los nuevos descubrimientos son todos muy respetados y han trabajado en estos problemas durante largo tiempo. Dicho esto, no es una falta de respeto hacia ellos afirmar que estas mediciones son extremadamente difíciles de realizar. Lo que es más, las predicciones del modelo estándar suelen requerir cálculos en los que deben realizarse aproximaciones. Esto significa que diferentes teóricos pueden predecir masas y tasas de desintegración ligeramente distintas en función de las premisas y el nivel de aproximación utilizado. Así, puede ser que, cuando hagamos cálculos más precisos, algunos de estos nuevos hallazgos encajen con el modelo estándar.

Del mismo modo, puede ser que los investigadores estén usando interpretaciones sutilmente diferentes y en consecuencia encuentren resultados inconsistentes. La comparación de dos resultados experimentales requiere de una cuidadosa comprobación que muestre que se ha utilizado el mismo nivel de aproximación en ambos.

Éstos son ejemplos de fuentes de "incertidumbre sistemática” y, aunque todos los que participan en estos estudios hacen lo posible por cuantificar estas fuentes, puede haber complicaciones imprevistas que las subestimen o las sobreestimen.

Esto no hace que los resultados actuales sean menos interesantes o importantes. Lo que estos resultados ilustran es que hay múltiples caminos para comprender mejor la nueva física, y todas ellas deben ser exploradas.

Con la reanudación de la actividad en el LHC, aún existen posibilidades de que se produzcan nuevas partículas a través de procesos aún más raros o que se encuentren ocultas bajo fondos que todavía no hemos desenterrado.

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Roger Jones es profesor y director del departamento de física de la Lancaster University, y científico participante en el experimento ATLAS en el Large Hadron Collider del Cern. Este artículo ha sido traducido de The Conversation bajo licencia Creative Commons.

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