¿Está roto el modelo estándar de la física de partículas?

Este artículo apareció originalmente en la conversiónmirsación.

Como físico que trabaja en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el Cern, una de las preguntas más frecuentes que me hacen es “¿Cuándo vas a encontrar algo?”. Resistiendo la tentación de responder sarcásticamente “¿Aparte del bosón de Higgs, que ganó el Premio Nobel, y una gran cantidad de nuevas partículas compuestas?”, Me doy cuenta de que la razón por la que la pregunta se plantea con tanta frecuencia se debe a cómo hemos retratado el progreso en física de partículas al resto del mundo.

A menudo hablamos de progreso en términos de descubrir nuevas partículas, y con frecuencia lo es. Estudiar una nueva partícula muy pesada nos ayuda a ver los procesos físicos subyacentes, a menudo sin el molesto ruido de fondo. Eso facilita la explicación del valor del descubrimiento al público y a los políticos.

Recientemente, sin embargo, una serie de mediciones precisas de partículas y procesos estándar de pantano ya conocidos han amenazado con sacudir la física. Y con el LHC preparándose para funcionar a mayor energía e intensidad que nunca antes, es hora de comenzar a discutir ampliamente las implicaciones.

En verdad, la física de partículas siempre ha procedido de dos maneras, de las cuales las nuevas partículas son una. La otra es haciendo mediciones muy precisas que prueben las predicciones de las teorías y busquen desviaciones de lo esperado.

La evidencia temprana de la teoría de la relatividad general de Einstein, por ejemplo, provino 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 a una teoría contraria a la intuición pero enormemente exitosa llamada mecánica cuántica. Esta teoría muestra que las partículas demasiado masivas para generarse directamente en una colisión de laboratorio aún pueden influir en lo que hacen otras partículas (a través de algo llamado “fluctuaciones cuánticas”). Sin embargo, las mediciones de tales efectos son muy complejas y mucho más difíciles de explicar al público.

Pero los resultados recientes que insinúan una nueva física inexplicable más allá del modelo estándar son de este segundo tipo. Detallado estudios del experimento LHCb

descubrió que una partícula conocida como quark de belleza (los quarks forman los protones y neutrones en el núcleo atómico) “decae” (se deshace) en un electrón con mucha más frecuencia que en un muón, el hermano más pesado, pero por lo demás idéntico, del electrón. De acuerdo con el modelo estándar, esto no debería suceder, lo que sugiere que nuevas partículas o incluso fuerzas de la naturaleza pueden influir en el proceso.

Curiosamente, sin embargo, las mediciones de procesos similares que involucran “quarks superiores” del experimento ATLAS en el LHC muestran esta descomposición. ocurre a tasas iguales para electrones y muones.

Mientras tanto, el experimento Muon g-2 en Fermilab en los EE. UU. ha hecho recientemente estudios muy precisos de cómo los muones “se tambalean” cuando su “giro” (una propiedad cuántica) interactúa con los campos magnéticos circundantes. Encontró una desviación pequeña pero significativa de algunas predicciones teóricas, lo que nuevamente sugiere que pueden estar trabajando fuerzas o partículas desconocidas.

Él último resultado sorprendente es una medida de la masa de una partícula fundamental llamada bosón w, que lleva la fuerza nuclear débil que gobierna la desintegración radiactiva. Después de muchos años de recopilación y análisis de datos, el experimento, también en Fermilab, sugiere que es significativamente más pesado de lo que predice la teoría, desviándose en una cantidad que no sucedería por casualidad en más de un millón de millones de experimentos. Una vez más, puede ser que partículas aún no descubiertas se sumen a su masa.

Curiosamente, sin embargo, esto también está en desacuerdo con algunas mediciones de menor precisión del LHC (presentadas en este estudio y Éste).

El veredicto

Si bien no estamos absolutamente seguros de que estos efectos requieran una explicación novedosa, parece estar aumentando la evidencia de que se necesita algo de física nueva.

Por supuesto, habrá casi tantos nuevos mecanismos propuestos para explicar estas observaciones como teóricos. Muchos buscarán varias formas de “supersimetría”. Esta es la idea de que hay el doble de partículas fundamentales en el modelo estándar de lo que pensábamos, y cada partícula tiene un “supercompañero”. Estos pueden involucrar bosones de Higgs adicionales (asociados con el campo que da su masa a las partículas fundamentales).

Otros irán más allá, invocando ideas de moda menos recientes como “tecnicolor”, lo que implicaría que existen fuerzas adicionales de la naturaleza (además de la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte), y podría significar que el bosón de Higgs es, de hecho, un objeto compuesto hecho de otras partículas. Solo los experimentos revelarán la verdad del asunto, lo cual es una buena noticia para los experimentadores.

Todos los equipos experimentales detrás de los nuevos hallazgos son muy respetados y han trabajado en los problemas durante mucho tiempo. Dicho esto, no es una falta de respeto hacia ellos señalar que estas mediciones son extremadamente difíciles de realizar. Además, las predicciones del modelo estándar generalmente requieren cálculos en los que se deben realizar aproximaciones. Esto significa que diferentes teóricos pueden predecir masas y tasas de descomposición ligeramente diferentes según las suposiciones y el nivel de aproximación realizado. Entonces, puede ser que cuando hagamos cálculos más precisos, algunos de los nuevos hallazgos encajen con el modelo estándar.

Del mismo modo, puede ser que los investigadores estén utilizando interpretaciones sutilmente diferentes y, por lo tanto, encuentren resultados inconsistentes. La comparación de dos resultados experimentales requiere una verificación cuidadosa de que se haya utilizado el mismo nivel de aproximación en ambos casos.

Ambos son ejemplos de fuentes de “incertidumbre sistemática” y, si bien todos los involucrados hacen todo lo posible para cuantificarlas, pueden surgir complicaciones imprevistas que las subestimen o las sobreestimen.

Nada de esto hace que los resultados actuales sean menos interesantes o importantes. Lo que ilustran los resultados es que existen múltiples caminos hacia una comprensión más profunda de la nueva física, y todos deben explorarse.

Con el reinicio del LHC, todavía hay perspectivas de que se produzcan nuevas partículas a través de procesos más raros o que se encuentren ocultas bajo fondos que aún tenemos que desenterrar.

Roger Jones es profesor de física y jefe de departamento en la Universidad de Lancaster. Recibe financiación de STFC y es miembro de la Colaboración ATLAS.