Estas tres preguntas fundamentales sobre nuestra existencia y el Universo constituyen el título de una famosa pintura de Paul Gauguin. El objetivo de la física de partículas es darle respuesta científica a estos cuestionamientos y descubrir cómo se formó el Cosmos y la manera en que evoluciona.
Sabemos que la materia visible en el Universo contiene moléculas, las cuales están compuestas de átomos. Estos contienen núcleos compuestos por protones y neutrones, con nubes de electrones alrededor. Los protones y neutrones no son objetos fundamentales, sino que están compuestos de otras partículas: los quarks.
La física de partículas estudia los electrones, los quarks y otras partículas que pensamos que son elementales. Los astrónomos y los cosmólogos nos dicen que, además de esta materia visible, el Universo contiene mucha materia oscura, invisible y desconocida.
Sabemos también que el Universo ha estado en expansión desde hace casi 14 mil millones de años. El astrónomo Edwin Hubble descubrió que la luz emitida por las galaxias distantes parece más roja que la luz en el laboratorio, y que este efecto crece con la distancia, debido a la expansión de las ondas de la luz durante la expansión del Universo.
Las galaxias más distantes que podemos observar están a una distancia de más de 10 mil millones de años luz, pero obedecen a las mismas leyes de física que se aplican aquí en la Tierra. Sabemos además que el Universo ha sido 3 mil veces más pequeño y más caliente que hoy, porque observamos un fondo cósmico de radiación que fue emitido por los primeros átomos, cuando el Universo tenía una edad de alrededor de 300 mil años.
Además de la materia visible, el Universo contiene mucha materia oscura, invisible y desconocida.
El Universo era mil millones de veces más pequeño y más caliente que hoy cuando tenía una edad de alrededor de tres minutos, porque los elementos livianos nacieron en esa época, gracias a las interacciones nucleares.
La primera pregunta de Gauguin es ¿qué pasó antes en la historia del Universo? Sólo la física de partículas puede dar una respuesta científica: nos permite estimar que los protones y neutrones, componentes de los núcleos de los átomos, nacieron de combinaciones de quarks alrededor de un microsegundo después del inicio del Universo, que las masas de los constituyentes del Universo aparecieron alrededor de un microsegundo después del inicio, y que tal vez durante esta época la materia oscura se separó de la materia visible.
Los vínculos entre la astrofísica, la cosmología y la física de partículas empezaron hace más de un siglo, cuando los rayos cósmicos fueron descubiertos. Los choques de estos rayos energéticos con la atmósfera producen muchos tipos de partículas elementales; por ejemplo, el muon, las partículas extrañas y la antimateria.
Para estudiar más en detalle la física de estas partículas, los físicos construyeron aceleradores , y los choques producidos por estas máquinas reproducen las condiciones al inicio del Big Bang. Las predicciones del Modelo Estándar de las partículas propuesto por Abdus Salam, Sheldon Glashow y Steven Weinberg en los años 60, concuerdan casi perfectamente con los experimentos en todos los laboratorios.
El Modelo Estándar incluye las partículas de materia, los quarks y el electrón, y otras relacionadas como el muon y los neutrinos. Además, hay partículas que transmiten las interacciones fundamentales, por ejemplo, el fotón, que comunica el electromagnetismo, y el bosón W, muy pesado, que transmite la interacción débil que causa formas de radioactividad. Algunas de estas partículas tienen masas, como el electrón, los quarks y el bosón W, pero otras no, como el fotón.
¿Cuál es el origen de las masas? Newton explicó que el peso es proporcional a la masa, y Einstein que la energía y la masa están relacionadas, pero ninguno de los dos explicó el origen de las masas. El teórico Peter Higgs sugirió en el año 1964 un mecanismo para generar las masas que implicó la existencia de otra partícula, ahora llamada el bosón de Higgs. Según esta teoría, se puede considerar el espacio vacío como un medio ambiente que fluctúa tal como dicta la mecánica cuántica, siendo el bosón de Higgs el “cuanto” (quantum) de estas fluctuaciones.
¿Qué pasó antes en la historia del Universo? Sólo la física de partículas puede dar una respuesta científica.
El Modelo Estándar integra el bosón de Higgs y, en 1975, junto con Mary Gaillard y Dimitri Nanopoulos, escribí el primer estudio detallado de esta partícula hipotética. Su existencia era considerada como muy especulativa en esa época y, al final de nuestro trabajo, escribimos que “no queríamos promover grandes búsquedas experimentales” pero que los físicos experimentales deberían saber cómo podría manifestarse esa partícula.
Afortunadamente, varias décadas después, el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) construyó el gran colisionador de partículas (LHC) en un túnel de 27 kilómetros de circunferencia a una profundidad de 100 metros con los siguientes objetivos primarios: revelar el origen de las masas, buscar la materia oscura, estudiar el plasma primordial que llenó el Universo joven, e investigar las diferencias entre las partículas de materia y de antimateria.
El 4 de julio de 2012, los experimentos basados en el CERN anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula que fue identificada después como el mítico bosón de Higgs. Así, la física de partículas completó la respuesta a la segunda pregunta de Gauguin: somos combinaciones de quarks y electrones, con masas otorgadas por el bosón de Higgs e interactuando por medio de fuerzas fundamentales que podemos calcular con alta precisión gracias a las leyes del Modelo Estándar.
¿Qué investigan los experimentos en el CERN después de este descubrimiento? Los astrónomos y cosmólogos nos dicen que, además de la materia visible en el Universo, hay también mucha materia invisible, llamada materia oscura. Esta hipótesis fue propuesta en los años 30 por el astrónomo Fritz Zwicky. Él estaba observando el movimiento de las galaxias en el cúmulo Coma y descubrió que se mueven demasiado rápido, en el sentido de que el campo gravitacional generado por la materia visible no es suficientemente fuerte para retenerlas en el cúmulo. Zwicky postuló la presencia de materia oscura para explicar cómo queda intacto el cúmulo.
En los años 70, la astrónoma Vera Rubin observó un fenómeno similar en las galaxias mismas: las estrellas también se mueven “demasiado rápido”. Sus observaciones necesitan un campo gravitacional más fuerte que el generado por la materia visible: una prueba más de la necesidad de la materia oscura.
Podría ser que la materia oscura esté constituida por partículas desconocidas, tales como las buscadas por los experimentos en el LHC. Partículas de materia oscura producidas por los choques de protones en el LHC se escaparían de los experimentos, llevando energía inobservada o “energía faltante”. Pero, hasta ahora, no hay indicios de tales eventos.
El LHC es mucho más que un super-microscopio capaz de descubrir los secretos de la materia.
Otro objetivo de los experimentos es estudiar la diferencia entre la materia y la antimateria, que podría ser el origen de la materia en el Universo. El físico teórico Paul Dirac sugirió la existencia de antimateria en el año 1928, y partículas de antimateria fueron observadas por primera vez entre los rayos cósmicos en los años 30.
Fue una sorpresa cuando los experimentos revelaron, 30 años después, que hay pequeñas diferencias entre las interacciones de partículas y antipartículas. El físico Andrei Sakharov sugirió que estas diferencias podrían explicar la asimetría cosmológica entre las cantidades de materia y antimateria en el Universo hoy en día. Experimentos en el CERN están tratando de comprobar su hipótesis, que completaría la respuesta a la primera pregunta de Gauguin: ¿de dónde venimos?
Finalmente: ¿a dónde vamos? En este momento el Universo sigue su expansión, pero cálculos en el Modelo Estándar indican que el espacio vacío sería inestable, y que el Universo colapsará. ¿Podría ser que los experimentos en el LHC descubrirán nueva física más allá del Modelo Estándar que salvará el Universo? Vamos a ver…
Estos ejemplos muestran que el LHC no es sólo un super-microscopio capaz de descubrir los secretos de la materia, sino también un super-telescopio capaz de investigar los secretos oscuros del Universo y dar respuestas científicas a preguntas como las de Gauguin.
Sobre John Ellis
En 2004, una encuesta de SPIRES lo clasificó como el segundo físico teórico más citado en el mundo. Es Profesor de Física Teórica James Clerk Maxwell en el King’s College de Londres.
Sobre John Ellis
En 2004, una encuesta de SPIRES lo clasificó como el segundo físico teórico más citado en el mundo. Es Profesor de Física Teórica James Clerk Maxwell en el King’s College de Londres.
John Ellis
King’s College de Londres
