La próxima revolución en la física de partículas

El Gran Colisionador de Hadrones, va a llevar a la física a un nuevo territorio.

El actual Modelo Estándar de física de partículas comienza a aclararse cuando se estudio mucho más allá del rango de los actuales aceleradores de partículas. Por lo que no importa lo que encuentre el Gran Colisionador de Hadrones, va a llevar a la física a un nuevo territorio.

Cuando los físicos se ven forzados a dar una respuesta en una palabra a la pregunta de por qué están construyendo el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), normalmente responden “Higgs”. La partícula de Higgs — la última pieza que queda por descubrir en nuestra actual teoría de la materia — es la atracción principal. Pero la historia completa es mucho más interesante. El nuevo colisionador proporciona el mayor salto en capacidad de cualquier instrumento en la historia de la física de partículas. No sabemos lo que vamos a encontrar, pero los descubrimientos que hagamos y los nuevos misterios que encontremos ciertamente van a cambiar la capa de la física de partículas y resonará en las ciencias vecinas.

En este nuevo mundo, esperamos aprender qué distingue a dos fuerzas de la naturaleza — el electromagnetismo y las interacciones débiles — con amplias implicaciones para nuestra concepción del mundo cotidiano. Lograremos una nueva comprensión de preguntas simples y profundas: ¿Por qué existen los átomos? ¿Por qué la química? ¿Qué hace posibles las estructuras estables?

La búsqueda de la partícula de Higgs es un paso crucial, pero sólo el primer paso. Más allá tenemos fenómenos que pueden clarificar por qué la gravedad es mucho más débil que el resto de fuerzas de la naturaleza y podría revelar qué es la desconocida materia oscura que llena el universo. Incluso más profundos son los proyectos de ver diferentes formas de la materia, la unidad de las categorías de partículas aparentemente distintas y la naturaleza del espacio-tiempo. Las preguntas en juego parecen estar vinculadas unas con otras y la nudo de todos los problemas que motivaron la predicción de la partículas de Higgs. El LHC nos ayudará a refinar estas preguntas y nos pondrá en el camino de responderlas.

La materia a mano

Lo que los físicos llaman “Modelo Estándar” de física de partículas, para indicar que aún está en progreso, puede explicar mucho sobre el mundo conocido. Los elementos principales del Modelo Estándar empezaron a encajar durante los embriagadores días de los años 70 y 80, cuando las olas de los descubrimientos experimentales de referencia producían el surgimiento de ideas teóricas en una conversación productiva. Muchos físicos de partículas miran a los últimos 15 años como una era de consolidación en contra del fermento de las décadas anteriores. Incluso aunque el Modelo Estándar ha ganado cada vez más apoyo experimental, una creciente lista de fenómenos caen fuera de su ámbito, y nuevas ideas teóricas han expandido nuestra concepción de cómo sería una visión del mundo más exhaustiva y rica. En conjunto, el progreso continuo en experimentación y teoría apuntan a una próxima década muy animada. Tal vez miraremos atrás y veamos que la revolución había estado cociéndose todo este tiempo.

Nuestro actual concepto de la materia comprende dos principales categorías de partículas, quarks y leptones, junto con tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, electromagnetismo y las interacciones fuerte y débil. La gravedad es, por el momento, dejada aparte. Los quarks, los cuales forman los protones y neutrones, generan y sienten todas las tres fuerzas. Los leptones, los más conocidos de los cuales son los electrones, son inmunes a la fuerza fuerte. Lo que distingue estas dos categorías es una propiedad similar a la carga eléctrica, llamada color. (Este nombre es metafórico; no tiene nada que ver con los colores comunes). Los quarks tienen color, y los leptones no.

El principio que guía el Modelo Estándar es que sus ecuaciones son simétricas. Así como una esfera parece igual desde cualquier punto de vista, las ecuaciones permanecen iguales incluso cuando cambias la perspectiva desde la que están definidas. Además, se mantienen sin cambio incluso cuando la perspectiva se desplaza distintas cantidades a distintos puntos del espacio y el tiempo.

Asegurar la simetría de un objeto geométrico coloca restricciones muy severas sobre su forma. Una esfera con un bulto no se ve de la misma forma desde cada ángulo. Asimismo, la simetría de las ecuaciones colocan severas restricciones sobre ellas. Estas simetrías generan fuerzas que son portadas por partículas especiales conocidas como bosones.

De esta forma, el Modelo Estándar invierte el dictado arquitectónico de Louis Sullivan: el lugar de “la forma sigue a la función”, la función sigue a la forma. Es decir, la forma de la teoría, expresada en la simetría de las ecuaciones que la definen, dicta la función — las interacciones entre partículas — que la teoría describe. Por ejemplo, la fuerza nuclear fuerte sigue el requisito de que los quarks que describen las ecuaciones deben ser los mismos no importa cuál se elija para definir el color del quark (e incluso si esta convención se ajusta independientemente en cada punto del espacio y del tiempo). La fuerza fuerte es portada por ocho partículas conocidas como gluones. Las otras dos fuerzas, electromagnetismo y fuerza nuclear débil, caen bajo la rúbrica de fuerzas “electrodébiles” y están basadas en una simetría distinta. Las fuerzas electrodébiles son portadas por un cuarteto de partículas: el fotón, el bosón Z, el bosón W+ y el bosón W–.

Rompiendo el espejo

La teoría de las fuerzas electrodébiles fue formulada por Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam, quienes ganaron el Premio Nobel de Física en 1979 por sus esfuerzos. La fuerza débil, que está implicada en el decaimiento de la radiactividad beta, no actúa sobre todos los quarks y leptones. Cada una de estas partículas aparece un variedades de imágenes especulares, llamadas izquierda y derecha, y la fuerza de decaimiento beta actúa sólo en las de izquierda — un sorprendente hecho que sigue sin explicación 50 años después de su descubrimiento. La simetría entre las partículas izquierda ayuda a definir la teoría electrodébil.

En las etapas iniciales de su construcción, la teoría tenía dos defectos principales. Primero, pronosticó cuatro partículas de fuerza de largo alcance — referidas como bosones gauge — mientras que en la naturaleza sólo hay uno: el fotón. Los otros tres son de corto alcance, menos de aproximadamente 10^–17 metros, menos de un 1 por ciento del radio del protón. De acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg, este rango limitado implica que las partículas de fuerza deben tener una basa aproximada de 100 mil millones de electrón voltios (GeV). El segundo obstáculo es que la familia de simetrías no permite masa para los quarks y leptons, aunque estas partículas tienen masa.

La forma de salir de esta situación insatisfactoria es darse cuenta que una simetría en las leyes de la naturaleza no tiene necesariamente que verse reflejada en el producto de esas leyes. Los físicos dicen que la simetría se “rompe”. La necesidad de aparatos teóricos fue resulta a mediados de los años 60 por los físicos Peter Higgs, Robert Brout, François Englert y otros. La inspiración vino de un fenómeno aparentemente sin relación: la superconductividad, en la cual ciertos materiales portan carga eléctrica con una resistencia cero a bajas temperaturas. Aunque las propias leyes del electromagnetismo son simétricas, el comportamiento del electromagnetismo dentro de un material superconductor no lo es. Un fotón gana masa en un superconductor, limitando por tanto la intrusión de campos magnéticos en el material.

Cuando esto sucede, el fenómeno es un prototipo perfecto para la teoría electrodébil. Si el espacio está repleto de un tipo de “superconductor” que afecta a la interacción débil más que al electromagnetismo, esto da masa a los bosones W y Z y limita el rango de interacciones débiles. Este superconductor consta de partículas llamadas bosones de Higgs. Los quarks y leptones también adquieren su masa a través de interacciones con el bosón de Higgs. Obteniendo masa de esta forma, en lugar de poseerla de forma intrínseca, estas partículas se mantienen consistentes con los requisitos de simetría de la fuerza débil.

La teoría electrodébil moderna (con el Higgs) cuenta con una gran precisión un amplio rango de resultados experimentales. Efectivamente, el paradigma de quarks y leptones constituyentes interactuando a través de bosones gauge reviso por completo nuestra concepción de la materia y apuntó a la posibilidad de que las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes se unieran en una cuando las partículas tienen unas energías muy elevadas. La teoría electrodébil es un logro conceptual sensacional, pero aún está incompleta. Demuestra cómo los quarks y leptones podrían adquirir masa pro no predice qué masas deberían ser. La teoría electrodébil está igualmente indefinida en lo que respecta a la propia masa del bosón de Higgs: la existencia de la partículas es esencial, pero la teoría no predice su masa. Muchos de los problemas pendientes de la física de partículas y la cosmología están vinculadas a la cuestión de cómo se rompe exactamente la simetría electrodébil.

Donde el Modelo Estándar cuenta su cuento

Animados por una cadena de prometedoras observaciones en los años 70, los teóricos comenzaron a tomar lo bastante seriamente al Modelo Estándar como para probar sus límites. Hacia finales de 1976 Benjamin W. Lee del Laboratorio del Acelerador Nacional en Batavia, Illinois, Harry B. Thacker, ahora en la Universidad de Virginia, y yo ideamos un experimento para investigador cómo las fuerzas electrodébiles se comportarían en energías muy altas. Imaginamos colisiones entre pares de bosones W, Z y Higgs. El ejercicio podría parecer ligeramente extravagante porque, en el momento de nuestro trabajo, ninguna de estas partículas habían sido observadas. Pero los físicos tienen la obligación de probar cualquier teoría considerando sus implicaciones como su todos los elementos fuesen reales.

Lo que notamos fue una sutil interacción entre las fuerzas generadas por estas partículas. Extendidos a energías muy altas, nuestro cálculos tenían sentido sólo si la masa del bosón de Higgs no era demasiado grande — el equivalente a menos de un billón de electrón voltios, o 1 TeV. Si el bosón de Higgs era más ligero de un 1 TeV, las interacciones débiles se mantenían débiles y la teoría funcionaba con fiabilidad a todas las energías. Si el Higgs es más pesado que 1 TeV, las interacciones débiles se hacen más fuertes cerca de esa escala de energía y dan como resultado todo un proceso de partículas exóticas. Encontrar una condición de este tipo es interesante debido a que la teoría electrodébil no predice directamente la masa del Higgs. Este umbral de masa significa, entre otras cosas, que algo nuevo – un bosón de Higgs y otro nuevo fenómeno — se encontrará cuando el LHC convierta el concepto experimental en una realidad.

Los experimentos pueden ya haber observado entre bastidores la influencia del Higgs. Este efecto es otra consecuencia del principio de incertidumbre, el cual implica que las partículas tales como el Higgs pueden existir durante instantes demasiado efímeros para ser observadas directamente pero lo bastante largos para dejar una sutil marca en los procesos de las partículas. El Gran Colisionador de Positrón Electrón del CERN, la anterior habitante del túnel que ahora usará el LHC, detectó el trabajo de tal mano invisible. La comparación de las medidas precisas con la teoría apunta con fuerza a que el Higgs existe y su masa es menor de 192 GeV.

Para que el Higgs pese menos de 1 TeV, como se requiere, se plantea un interesante enigma. En la teoría cuántica tal masa no se fija una vez y para siempre sino que es modificada por los efectos cuánticos. Así como el Higgs puede influir entre bastidores sobre otras partículas, otras partículas pueden hacer lo mismo con el Higgs. Esas partículas llegan en un rango de energías, y su efecto neto depende de dónde precisamente da el Modelo Estándar paso a una teoría más profunda. Si el modelo se mantiene todo el camino hasta los 1015 GeV, donde las interacciones fuerte y electrodébil parece unificarse, las partículas con energías auténticamente titánicas actúan sobre el Higgs y le dan comparativamente una gran masa. ¿Por qué, entonces, el Higgs parece no tener más masa de 1 TeV?

Este obstáculo es conocido como el problema jerárquico. Una resolución sería un equilibrio precario de sumas y restas de grandes números, mantenidos por las contribuciones opuestas de distintas partículas. Los físicos han aprendido a sospechar de las inmensamente precisas cancelaciones que no están guiadas por principios subyacentes. Por consiguiente, en común con muchos de mis colegas, creo que es muy probable que tanto el bosón de Higgs como otro nuevo fenómeno se hallen en el LHC.

Supertecnofragilisticoexpialidoso

Los teóricos han explorado muchas formas en las que el nuevo fenómeno podría resolver el problema jerárquico. Uno de los principales candidatos conocido como supersimetría supone que cada partículas tiene un invisible supercompañero que difiere en espín. Si la naturaleza fuese exactamente simétrica, las masas de las partículas y de los supercompañeros serían idénticas, y sus influencias sobre el Higgs se cancelarían de forma exacta. En tal caso, sin embargo, los físicos habrían visto ya los supercompañeros. No lo hemos logrados, por lo que si existe la supersimetría, debe ser una simetría rota. La influencia neta sobre el Higgs podría ser aceptablemente pequeña si las masas de los supercompañeros fuesen menores de 1 TeV, lo cual los pondría al alcance del LHC.

Otra opción, llamada technicolor, supone que el bosón de Higgs no es verdaderamente una partícula fundamental sino que está construida a partir de constituyentes aún no observados. (El término “technicolor” alude a la generalización de la carga de color que define la fuerza fuerte). Si es así, el Higgs no es fundamental. Las colisiones a energías alrededor de 1 TeV (la energía asociada con la fuerza que une al Higgs) nos permitiría observar dentro de él y de esta forma revelar la naturaleza de su composición. Al igual que la supersimetría, el technicolor implica que el LHC liberará toda una reserva de partículas exóticas.

Una tercera y provocadora idea es que el problema jerárquico desaparecerá en un examen más cercano, debido a que el espacio tiene dimensiones adicionales más allá de las que nos movemos. Las dimensiones extra podría modificar cómo varían las fuerzas en potencia con la energía y finalmente se funden. Esta fusión – y el amanecer de una nueva física — podría no tener lugar a 1012 TeV sino a una energía mucho menor relacionada con el tamaño de las dimensiones extra, quizá a unos pocos TeV. Si es así, el LHC podría ofrecer un vistazo de estas dimensiones extra.

Una pieza más de las pruebas apunta a un nuevo fenómeno en la escala de TeV. La materia oscura que forma gran parte del contenido material del universo parece ser un nuevo tipo de partículas. Si esta partículas interactúa con la fuerza de la fuerza débil, entonces el Big Bang la habría producido en el número requerido de forma que su masa esté entre aproximadamente 100 GeV y 1 TeV. Sea cual la sea la que resuelva el problema jerárquico probablemente sugerirá un candidato para la partícula de materia oscura.

Revoluciones en el horizonte

Abrir la escala del TeV a la exploración significa entrar a un nuevo mundo de la física experimental. Realizando una minuciosa exploración de este mundo – nos haremos una idea de la ruptura de la simetría electrodébil, el problema jerárquico y la materia oscura — es la prioridad principal de los experimentos del acelerador. Los objetivos están bien motivados y fijados por nuestras herramientas experimentales, con el LHC dando el relevo al actual banco de trabajo, el colisionador Tevatron del Fermilab. Las respuestas no sólo satisfarán a los físicos de partículas, sino que profundizarán en la comprensión de nuestro mundo cotidiano.

Pero estas expectativas, aún siendo altas, no son aún el final de la historia. El LHC podría perfectamente encontrar pistas para la unificación completa de las fuerzas o indicaciones de que las masas de las partículas siguen un patrón racional. Cualquier interpretación propuesta de nuevas partículas tendrán consecuencias para raros decaimientos de las partículas que ya conocemos. Es muy probable que disipar el velo electrodébil traiga a estos problemas un apoyo más claro, cambiando la forma en la que pensamos sobre ellos e inspire futuros impulsos experimentales.

Cecil Powell ganó el Premio Nobel de Física de 1950 por descubrir unas partículas llamadas piones — propuestas en 1935 por el físico Hideki Yukawa para tener en cuenta las fuerzas nucleares — exponiendo una emulsión fotográfica altamente sensible a los rayos cósmicos en una alta montaña. Más tarde recordaba: “Cuando recuperamos las emulsiones y las desarrollamos en Bristol, fue casi inmediatamente aparente que se había revelado un nuevo mundo…. Era como si, de pronto, hubiésemos irrumpido en un huerto vallado, donde los árboles protectores hubiesen florecido y frutos exóticos hubiesen madurado con gran profusión”. Justo así es como imagino nuestra primera visión de la escala de TeV.

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Autor: Chris Quigg
Fecha Original: febrero de 2008
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Fuente: Ciencia Kanija