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Podemos abrir una puerta trasera a un reino mucho más allá del alcance del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). (CERN)
Investigadores han encontrado una puerta trasera que da acceso a un universo microscópico que podría revolucionar nuestra comprensión de la realidad. Un físico de partículas de Cambridge explica qué puede haber dentro
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) lleva 15 años haciendo chocar partículas en busca de respuestas a los misterios más profundos del cosmos. Ahora, los científicos han comenzado a abrir una puerta trasera hacia una realidad que existe más allá del alcance del colisionador más poderoso del mundo. Esta puerta oculta conduce al zeptouniverso, una dimensión que existe a distancias de una sextillonésima parte de un metro. Una distancia increíblemente pequeña que es equivalente a la que separa un pelo del borde del universo observable.
Según explica Harry Cliff, físico de partículas en la Universidad de Cambridge, el panorama actual de la física de partículas presenta una paradoja desconcertante. “El modelo estándar es lo más cercano que tenemos a una teoría del todo, ya que describe todas las partículas y fuerzas fundamentales conocidas, con la excepción de la gravedad. Ha superado todas las pruebas experimentales a las que lo hemos sometido, con una precisión exasperante. Exasperante, porque sabemos que el Modelo Estándar es incompleto”, asegura el investigador que también trabaja en el experimento LHCb, el enorme detector de partículas enterrado a cien metros bajo tierra en el CERN, situado cerca de Ginebra.
El Modelo Estándar no puede explicar la materia oscura, esa sustancia invisible cuya atracción gravitacional da forma al cosmos. Tampoco ofrece respuesta a los patrones que vemos en las partículas fundamentales. Y además, sugiere que toda la materia debería haber sido aniquilada con su imagen especular, la antimateria, en el primer microsegundo del Big Bang. "Claramente, cualquier teoría que predice la no existencia del universo está en problemas", asegura Cliff.
Es aquí donde entra en escena Andrzej Buras, un investigador alemán de 78 años, físico teórico de la Universidad Técnica de Múnich. Buras está detrás de la idea de que podemos abrir una puerta trasera a un reino que hay más allá del alcance del LHC. Este científico casi octogenario no está dispuesto a esperar décadas a que fabriquen un sucesor más potente del LHC y ha puesto en marcha un plan alternativo que ha empezado a dar sus frutos.
Una realidad paralela microscópica
La misión que se ha impuesto Buras es llegar al zeptouniverso, donde sospecha que se esconden las partículas nuevas que tanto buscan. Para hacerlo, el investigador propone usar los colisionadores de partículas como microscopios supersónicos que puedan sondear los componentes fundamentales de la realidad a escalas de distancia extremadamente cortas.
“En el ámbito de las partículas existe una relación inversa entre la energía y la distancia. La teoría cuántica nos muestra que los electrones o los protones, por ejemplo, se comportan simultáneamente como ondas”, explica Cliff. “Cuando las partículas se aceleran a altas energías, sus longitudes de onda se acortan cada vez más, lo que significa que se convierten en sondas que nos permiten ver a escalas mucho más pequeñas que un átomo”.
Además, las partículas muy masivas que existen a escalas de distancia más pequeñas pueden influir en el comportamiento de las partículas más ligeras a escalas más grandes. “Las partículas no son en sí mismas fundamentales, sino vibraciones en campos cuánticos siempre presentes, objetos invisibles y fluidos que llenan todo el universo”, dice el investigador. “Aunque una nueva partícula sea demasiado pequeña para que el LHC la detecte, su campo cuántico puede seguir ejerciendo una influencia persistente a distancias mayores, afectando al comportamiento de partículas de mayor tamaño. Esto significa, que las mediciones precisas de las partículas que producimos habitualmente en los aceleradores existentes pueden revelar la influencia de nuevas partículas que se encuentran más allá de nuestro campo de visión directo”.
Primeras señales desde el zeptouniverso
Buras ha trabajado con Elena Venturini, ahora en la Escuela Internacional de Estudios Avanzados de Trieste, Italia, para elaborar una lista de objetivos para analizar con este microscópico supersónico que denominan los magníficos siete.
Son todas desintegraciones extremadamente raras de partículas que contienen tipos exóticos de quark (quarks extraños o quarks bottom), un componente fundamental de la materia que no se encuentra aislado en la naturaleza. Estas desintegraciones son particularmente raras porque pasar de la partícula inicial a los productos de desintegración en el Modelo Estándar requiere una mezcla complicada de varias partículas intermedias extremadamente masivas. Sin embargo, si se consigue, los resultados tienen el potencial para permitirnos observar nueva física durante esta misma década.
"La idea es bastante sencilla", según Cliff. "En primer lugar, los teóricos hacen predicciones precisas sobre la frecuencia con la que debería producirse una de estas desintegraciones raras, según el Modelo Estándar. A continuación, los experimentadores realizan las mediciones más precisas posibles de esas tasas de desintegración utilizando datos del LHC y otros aceleradores. Cualquier discrepancia significativa entre la teoría y el experimento es una prueba indirecta de la existencia de nuevas partículas".
El nuevo método ya ha comenzado a arrojar resultados. El experimento NA62 del CERN, que funciona desde 2015, anunció en septiembre del año pasado la primera observación de una desintegración increíblemente rara que ocurre aproximadamente una vez por cada 10 mil millones de kaones (un tipo de partícula subatómica formada por un quark y un antiquark). No solo es la desintegración de partículas más rara que jamás hayamos visto, sino que la tasa de desintegración medida fue también alrededor de un 50% más alta que la predicción del Modelo Estándar.
La carrera contra el tiempo
Cliff ha hablado recientemente con Buras y el veterano científico alemán le expresó su frustración. Aunque se mantiene en buena salud por ahora, sabe que el tiempo juega en su contra. El experimento NA62 continuará recolectando datos por un par de años más, pero luego el espacio que ocupa deberá ser liberado para un nuevo experimento recientemente aprobado. Además, el Experimento de Kaones de Alta Intensidad que podría haber extendido el trabajo de NA62 no fue aprobado por el CERN.
Las esperanzas ahora se centran en el experimento KOTO en J-PARC, Japón, donde los físicos están realizando una búsqueda paralela de una segunda desintegración rara de kaones. Aunque todavía no han visto resultados, esperan más datos pronto.
También hay prevista una segunda actualización del LHCb que aumentará la velocidad a la que se registran los datos en un orden de magnitud. Una vez que esté en marcha en la década de 2030, esta nueva del experimento debería asegurar que realmente podamos cumplir con la visión de Buras de una expedición adecuada al zeptouniverso.
“El coste y la escala del próximo colisionador eclipsarán incluso al LHC, superando los límites de lo que se puede lograr en un solo proyecto científico”, concluye Cliff. “Por lo tanto, algunas señales claras de que realmente nos espera una nueva física en el zeptouniverso harían aún más convincente la necesidad de un colisionador que pueda investigarla directamente”.
