«El bosón de Higgs ha apuntalado el modelo estándar, y esto es un problema porque esta teoría es tan perfecta, esférica y sin fisuras que no tenemos ninguna pista acerca de cómo puede ser la siguiente capa. Y esto es un desafío porque hasta ahora hemos conseguido avanzar gracias a que hemos sido capaces de ver fallos en nuestras teorías. Solo puedes inmiscuirte en las zonas oscuras en las que no ha entrado tu teoría cuando encuentras un hueco en ella por el que puedes entrar».
Esta reflexión que compartió conmigo el físico y divulgador científico Javier Santaolalla durante la conversación que mantuvimos a principios de 2019 ilustra a las mil maravillas cómo uno de los mayores éxitos científicos del siglo XX representa a la vez un reto en la búsqueda de nueva física que no es fácil superar. El modelo estándar de la física de partículas se desarrolló en varias etapas durante la segunda mitad del siglo pasado gracias al esfuerzo conjunto de cientos de científicos, y nos ha deparado hitos inmensos.
Uno de ellos es, sin duda, el descubrimiento del bosón de Higgs, un hallazgo en el que Javier participó mientras preparaba su tesis doctoral en el CERN. La existencia de esta partícula había sido predicha a mediados de los años 60 por varios físicos utilizando la mejor arma que tenían a su alcance, el aún en pleno desarrollo modelo estándar, por lo que, como asegura Javier, corroborar experimentalmente que una nueva predicción, y, además, tan importante, era correcta, apuntaló definitivamente una teoría de la física de partículas que parecía muy difícil superar.
Ir más allá del modelo estándar es un desafío, pero ya entrevemos su primera fisura
El modelo estándar reconcilia tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo, la interacción nuclear débil y la interacción nuclear fuerte. La cuarta fuerza, la gravedad, queda fuera de su alcance, lo que ha provocado que miles de científicos de todo el planeta estén poniendo todo su ingenio a disposición de la ciencia para intentar dar con una teoría que consiga unificar las cuatro fuerzas fundamentales.
De todas las candidatas a la teoría del todo la que está recibiendo más apoyo por parte de la comunidad científica (aunque también hay físicos que no la respaldan) es la formulación de la teoría de cuerdas conocida como teoría M. Entre sus principales promotores se encuentran teóricos muy reputados, como Juan Martín Maldacena o Michio Kaku, pero aún queda mucho trabajo por hacer hasta que los investigadores consigan entender todas las implicaciones de la teoría M y pueda ser demostrada experimentalmente. Ahora mismo lograrlo parece muy difícil.
El panorama no nos invita a ser demasiado optimistas, pero, afortunadamente, hace unos pocos días sucedió lo que muchos físicos esperaban con ansia que ocurriese desde hace muchos años: durante un experimento del Fermilab, el laboratorio de física de altas energías estadounidense que tiene el segundo acelerador de partículas más avanzado después del CERN, ha aparecido una posible fisura en el modelo estándar. Algo que la teoría más sólida y hasta ahora infalible que tenemos no consigue explicar correctamente.
Aún es pronto para darlo por sentado porque los físicos están analizando un volumen de datos enorme, y todo parece indicar que tienen varios años de trabajo por delante para sacar conclusiones definitivas, pero, como os explicamos la semana pasada, están manejando evidencias muy sólidas que nos permiten entrever una grieta en el modelo estándar.
En su experimento los muones, unas partículas con carga eléctrica negativa, como los electrones, pero con una masa sensiblemente superior, no se comportaron como predecía nuestra teoría más sólida. Las medidas que han obtenido experimentalmente los físicos de Fermilab son tan precisas que están razonablemente convencidos de que el muon se está viendo influenciado por algo que no explica el modelo estándar.
En este contexto no resulta en absoluto descabellado aceptar que esa desviación podría estar provocada por la presencia de una partícula desconocida, o bien por la existencia de una fuerza fundamental que aún no conocemos, y que podría unirse al catálogo de las cuatro fuerzas con las que trabajamos.
Álvaro de Rújula, un reputado físico teórico español que desarrolla su investigación en el CERN y el Instituto de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, nos ha confirmado en una entrevista que publicaremos próximamente lo esperanzados que están él y sus compañeros ante las posibilidades que plantea el resultado que han obtenido los físicos de Fermilab. No cabe duda de que para desarrollar nueva física es imprescindible encontrar fisuras en el modelo estándar. Y parece que ya hemos dado con la primera.
El CERN también tiene un plan que persigue elaborar nueva física
A mediados del pasado mes de febrero publicamos un artículo en el que abordamos las dos estrategias por las que ha apostado el CERN, precisamente, para buscar la forma de ir más allá del modelo estándar. Una de ellas consiste en incrementar la luminosidad del acelerador, y la otra requiere trabajar con un nivel de energía más alto. Mucho más alto. Pero ambas tienen algo en común: requieren la puesta a punto de nueva tecnología.
Actualmente el LHC, el principal acelerador de partículas que tiene el CERN, está en fase de parada debido a que está siendo modificado para incrementar su luminosidad. Este parámetro mide cuántas potenciales colisiones de partículas se producen por unidad de superficie y tiempo. La luminosidad se mide en femtobarns inversos, de manera que cada uno de ellos equivale a 100 millones de millones de colisiones entre protones.
Desde que comenzaron los experimentos en el acelerador, en 2010, hasta finales de 2018, que fue el momento en el que cesó su actividad, se produjeron en su interior 150 femtobarns inversos. De acuerdo con la planificación actual de los técnicos del CERN las modificaciones que requiere el LHC para incrementar su luminosidad estarán listas a partir de 2026, por lo que el acelerador de alta luminosidad debería ser capaz de producir 250 femtobarns inversos cada año hasta alcanzar los 4000 durante todo el periodo de actividad.
Este nuevo acelerador de alta luminosidad persigue consolidarse como una herramienta muy valiosa en la búsqueda de nueva física, de manera que podría resultar muy útil para corroborar los resultados que ha obtenido el laboratorio Fermilab con nuevos experimentos. No obstante, este no es el único proyecto ambicioso que tiene el CERN entre manos.
El 19 de junio de 2020 la dirección del CERN aprobó por unanimidad el proyecto de construcción de un nuevo acelerador de partículas circular que tendrá nada menos que una circunferencia de 100 km (la del actual LHC mide 27 km). La primera etapa comenzará, según sus planes iniciales, en 2038, y requerirá excavar un túnel circular con una circunferencia de 100 km muy cerca de la ubicación del actual LHC.
Dentro de ese túnel construirán un acelerador de electrones y positrones que tendrá la energía necesaria para maximizar la producción de bosones de Higgs en el instante en el que se produzca la colisión de estas partículas. Los físicos esperan que ese experimento nos ayude a conocer mejor la estructura de la materia, de modo que cuando superemos el ecuador de este siglo ese acelerador será desmantelado y reemplazado por otro acelerador circular capaz de trabajar a nada menos que 100 TeV (teraelectronvoltios).
Los físicos están convencidos de que trabajar con un nivel de energía tan alto les ayudará a encontrar aún más fisuras en el modelo estándar. Y esto les invitará a hacerse más preguntas. A formular más hipótesis. A planificar nuevos experimentos. Y, en definitiva, a desarrollar nueva física. Ese es el objetivo. De algo podemos estar seguros: las próximas décadas van a ser apasionantes para todos los que adoramos la ciencia.
Imágenes | CERN
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