¿Cómo se preparaban los antiguos exploradores para ir a una tierra desconocida? ¿Qué los impulsaba a dejar sus hogares y aventurarse a otros mundos? Aquellos aventureros utilizaban mapas, barcos, caballos, caravanas, gente y una mezcla de audacia y cautela.

Como ellos, los científicos nos adentramos a tierras desconocidas para descubrir nuevos mundos y, algunas veces también, para irlos construyendo. En compañía de colegas y estudiantes, llevamos herramientas matemáticas y computacionales; usamos la imaginación, guiados tanto por el rigor como por datos experimentales y observaciones. Para nosotros, y supongo que quizás también para ellos, el principal motor era y es la curiosidad.

En el caso de la física de partículas elementales estamos buscando una teoría más fundamental que incluya al Modelo Estándar (ME) y que nos dé explicación a alguno de los fenómenos que este deja sin resolver.

El Modelo Estándar da una muy buena descripción de las partículas más pequeñas que componen la materia y de las interacciones entre ellas. Fue construido con una retroalimentación entre la teoría y el experimento, entre la rigurosidad matemática y las evidencias experimentales. Sin embargo, existen muchos fenómenos que observamos y que, aunque podemos describirlos en el ME, no sabemos cuál es su origen (algunos más ni siquiera se pueden describir con el ME).

Los científicos nos aventuramos a tierras desconocidas para descubrir nuevos mundos.

Entre las preguntas abiertas del ME están: ¿Por qué son las masas de las partículas elementales tan diferentes entre sí? ¿Hay únicamente tres generaciones de materia? Y si es así, ¿por qué tres? ¿Son los neutrinos sus propias antipartículas? ¿Hay más bosones de Higgs? ¿Por qué hay más materia que antimateria en el Universo? ¿Qué es la materia oscura? ¿Son realmente cuatro las interacciones fundamentales: electromagnética, débil, fuerte y gravitatoria?

Para encontrar las posibles respuestas a estas y otras preguntas debemos aventurarnos a lo desconocido. Muchas, si no es que todas las incógnitas del ME, involucran automáticamente al inicio del Universo, su evolución y algunos procesos astrofísicos. Hay una interrelación fuerte entre la física de partículas elementales, la cosmología y la física de astropartículas. La cosmología estudia el origen y evolución del Universo, la física de astropartículas estudia las partículas elementales que nos llegan del cosmos, así como los procesos astrofísicos donde la naturaleza de las partículas es esencial.

La primera evidencia de que hay física nueva o física desconocida es la masa de los neutrinos. En el ME los neutrinos se suponen sin masa, pero ahora sabemos que sí la tienen, aunque sea diminuta. La segunda es la existencia de la materia oscura, de la cual tenemos mucha evidencia observacional de astrofísica y cosmología, pero no sabemos qué es. La suposición más simple es que se trata de una o varias partículas neutras, y que únicamente interactúan gravitacionalmente o muy débilmente con las conocidas. Ninguna de las partículas del ME puede ser materia oscura, la formación de estructura a gran escala de nuestro Universo así lo indica.

Si ya sabemos que hay física hasta ahora desconocida, ¿cómo exploramos más allá del Modelo Estándar? El ME ha sido probado experimentalmente con gran precisión. Esperamos que la teoría que lo sustituya reproduzca sus éxitos, a la vez que explique más fenómenos. La manera más directa de buscar esta nueva teoría es “extendiendo” el ME, es decir, lo tomamos como base y agregamos algo. Entre nuestras posibilidades de aventura está el añadir simetrías, partículas, interacciones o, incluso, dimensiones espaciales extra, o todas a la vez… de hecho, muchas de ellas están relacionadas. Agregar interacciones y/o dimensiones espaciales extra implica que hay más partículas elementales de las que conocemos.

Los físicos de partículas buscamos explicación a alguno de los fenómenos que el Modelo Estándar deja sin resolver.

Como ya sabemos que los neutrinos tienen masa, la manera más sencilla de extender el ME es añadir neutrinos derechos o estériles (que sólo interactúan gravitacionalmente), pero hasta ahora no se han observado en la naturaleza. Suponer que existen nos permite explicar la masa diminuta de los neutrinos conocidos de una manera consistente con las simetrías del ME que, además, apunta a nueva física con consecuencias para la cosmología y las astropartículas (como una posible explicación de por qué hay más materia que antimateria en el Universo y candidatos a materia oscura).

Existe otra manera de extender el ME: suponer que hay más bosones de Higgs, y no solo uno. Esto permitiría entender, parcialmente, por qué las masas de las partículas son tan diferentes; también podrían ser componentes de la materia oscura e indicar la presencia de más simetría en la naturaleza.

El ME está basado en simetrías, por lo que buscar más o extender las simetrías que ya se tienen es, de alguna manera, natural. Una simetría es una transformación que deja a un sistema sin cambio, como al rotar un cuadrado por 90° o girar un círculo, las figuras permanecen iguales o invariantes. En física, una simetría implica una cantidad conservada, por ejemplo, la conservación de la energía proviene de que las ecuaciones de la física son las mismas a diferentes tiempos (invariancia temporal).

Una simetría podría relacionar fenómenos que parecieran desconectados, pero que son similares. Estas teorías, llamadas de Gran Unificación (GUT, por sus siglas en inglés), pueden explicar la carga eléctrica fraccionaria de los quarks, así como establecer predicciones como la existencia de una carga magnética puntual o la desintegración del protón, ninguno de los cuales ha sido observado.

Las partículas elementales se dividen en dos grandes categorías: bosones y fermiones. Los bosones son responsables de llevar fuerzas y energía, y los fermiones son las partículas de materia. Parecen fundamentalmente diferentes, pero ¿qué pasaría si estuvieran relacionados? En las teorías supersimétricas hay una simetría que relaciona estos dos tipos de partículas, donde las ecuaciones para las fuerzas y la materia son iguales.

Podemos imaginar que hay más dimensiones espaciales que las tres en las que vivimos.

Las ventajas de estas teorías es que dan respuesta a varias incógnitas del ME y predicen muchas nuevas partículas; a cada fermión le correspondería un bosón, y viceversa. Algunas de estas nuevas partículas, llamadas supersimétricas, podrían ser materia oscura. También podemos imaginar que hay más dimensiones espaciales que las tres en las que vivimos. ¿Novedoso? Pues no tanto, la idea surgió hace más de 100 años y sigue vigente.

Las consecuencias de las teorías GUT se harían manifiestas solo a escalas de energía muy, muy grandes, inaccesibles para los experimentos terrestres, en el Universo muy temprano. De manera que solo podemos inferir si son correctas indirectamente, por algunas de sus predicciones. Esto es aún más extremo en el caso de las teorías de cuerdas, cuyos efectos únicamente serían observables apenas algunos instantes después del Big Bang.

¿Cómo llegamos a energías tan altas o a distancias tan pequeñas? Con aceleradores terrestres. En el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) se buscan partículas nuevas, como bosones de Higgs exóticos, partículas supersimétricas o evidencia de materia oscura. Para explorar más allá de esta frontera ya se están planeando los futuros aceleradores.

Por otro lado, los eventos extremos en el cosmos nos mandan mensajeros, partículas muy energéticas que nos pueden dar información tanto de procesos astrofísicos como de posible física nueva, a energías inalcanzables para nosotros, acercándonos quizás a las teorías más fundamentales. En estas indagaciones destacan los observatorios de rayos cósmicos, de neutrinos y de rayos gamma. 

¿Y qué hay de eventos raros o inusuales, que podrían señalar nuevos fenómenos o caminos de exploración? Estas búsquedas las llevamos a cabo en experimentos que producen muchísimos eventos, con detectores extremadamente sensibles. Es la frontera de la intensidad, y es crucial para entender la naturaleza de los neutrinos, que ofrece una ventana al Universo y a las interacciones fundamentales.

Exploramos con energía, con intensidad, con los pies en la tierra y con la mirada al cosmos. Hay muchos caminos por recorrer y examinar, pero la idea es dejar volar nuestra imaginación con la guía rigurosa de las matemáticas y la emoción del experimento.

Glosario

Espín: propiedad de las partículas que representa su momento angular intrínseco. Una característica cuántica fundamental, similar al momento angular clásico, pero con valores discretos.

Hadrones: partículas compuestas por quarks, como el protón (dos quarks tipo u y un quark tipo d), el neutrón (quarks udd), el pión positivo (un quark y un antiquark: ud), etc.

Materia oscura: materia que no radia luz o fotones; podría ser una o varias partículas eléctricamente neutras. Solo se han observado sus efectos y no se ha detectado directamente ni determinado su masa.

Neutrinos: partículas elementales muy ligeras, sin carga eléctrica.

Neutrinos derechos: neutrinos hipotéticos que tienen espín derecho; es decir, su espín está alineado en la misma dirección que su movimiento. No interactúan mediante la fuerza débil en el Modelo Estándar, lo que los hace difíciles de detectar.

Protón: partícula compuesta, no elemental, formada por quarks, que es parte del núcleo de los átomos. No se ha observado que se desintegre (decaiga) en sus componentes.

Partículas supersimétricas: partículas elementales hipotéticas; surgen como consecuencia de relacionar las interacciones con la materia a través de una simetría (supersimetría).

Quarks: partículas elementales, con carga eléctrica que puede ser -1/3 o +2/3. Hay seis tipos diferentes y se combinan para formar a los núcleos atómicos (protones o neutrones) y a otras partículas.

Simetrías de norma: propiedades de las leyes físicas que aseguran que los cálculos no cambien bajo ciertos ajustes (o “normas”) en los campos que describen las partículas y sus interacciones.