Retos al Modelo Estándar

En la Terascala, dos de las principales fuerzas de la naturaleza, la fuerza nuclear débil y la electromagnética, parecen unirse para ser una entidad individual. El cómo pasa esto exactamente, es un misterio aún. Hay una propuesta dentro de la estructura del Modelo Estándar, pero nunca ha sido evaluada y plantea cuestiones teóricas desconcertantes. El entender cómo es que estas dos fuerzas están unificadas, se cree que es una parte importante para entender la unificación general de las fuerzas de las partículas, quizá incluyendo la gravedad, de acuerdo con el sueño estético de Einstein de unificar todas las leyes de la naturaleza. (Ver El Sueño de Einstein).

El cómo es que estas dos fuerzas están unificadas es una cuestión que solo puede responderse con aceleradores. Por ejemplo, no es posible realizar estas medidas utilizando rayos cósmicos, porque la energía más alta de los rayos cósmicos es también poca y no es posible estudiarlos con la precisión suficiente.

Los científicos buscan en todas partes la explicación más simple posible al fenómeno que están estudiando y que pueda sobrevivir al escrutinio científico. En la física, el desarrollo de una estructura coherente científica única que pueda explicar la naturaleza de la materia, su masa, su evolución y las fuerzas asociadas, ha inspirado el trabajo y sueños de generaciones de físicos. Además, la unificación científica de los aparentemente diversos fenómenos frecuentemente genera grandes dividendos intelectuales, como ocurrió con la unificación de la electricidad y el magnetismo en el siglo diecinueve. El siguiente paso importante en este programa de unificación requiere la investigación directa de la Teraescala.

Los experimentos y teorías pasadas nos indican que los nuevos fenómenos esperan descubrimientos en este rango de energía. Se podría observar un mundo de nuevas partículas predichas por una hipótesis conocida como supersimetría, y esas nuevas partículas podrían proporcionar información esencial acerca de las partículas ya conocidas. Las partículas que constituyen la materia oscura responsable de la formación de las galaxias podrían aparecer en esa energía. La Teraescala podría ser la entrada a nuevas entradas del espacio, más allá de esas que experimentamos directamente pero que sin embargo, pueden tener un impacto importante en nuestro mundo. Los nuevos fenómenos que aparezcan en la Teraescala podrían incluir partículas como el boson de Higgs, el cual es responsable de la masa de las partículas conocidas. O, esos nuevos fenómenos podrían tomar una forma completamente diferente, incluyendo fenómenos que son completamente inesperados e inimaginables. Todas esas posibilidades pueden ser mejor exploradas en los aceleradores.

La exploración de la física en la Teraescala es el siguiente paso esencial para direccionar lo retos científicos en la física de partículas. La física de partículas parece estar en el borde de uno de los periodos más emocionantes de su historia.

El Modelo Estándar proporciona una excelente y cuidadosamente probada descripción del mundo subatómico a los niveles de energía que actualmente pueden ser estudiados en los laboratorios. Sin embargo, en esos niveles de energía los cuales los físicos solo pueden acceder de forma experimental, el Modelo Estándar es incompleto. Esto sugiere que los nuevos descubrimientos que se vislumbren en los años por venir, especialmente por el LHC comiencen a explorar esta región de la energía. Esto también sugiere que esos inminentes descubrimientos podrían transformar nuestro entendimiento del origen de la materia y energía, y el comportamiento de la evolución del Universo.

Las limitaciones del Modelo Estándar son evidentes, por ejemplo, cuando tratamos de contar con la Fuerza de Gravedad. El Modelo Estándar incorpora las fuerzas nucleares fuerte y débil, así como el electromagnetismo, pero, cuando los físicos intentan incluir a la gravedad como una cuarta fuerza, encuentran varias inconsistencias matemáticas. En consecuencia, dos pilares de la física del siglo veinte (La gravedad, tal como la describió Einstein en su Teoría General de la Relatividad y la mecánica cuántica) requieren nuevas estructuras teóricas que las incluyan.

Los descubrimientos astronómicos poseen otros retos al Modelo Estándar. Las observaciones astronómicas muestran que los protones, neutrones, electrones y fotones (Los cuales cuentan para todo con lo que estamos familiarizados) representan menos del 4% de la masa total de la masa y energía del Universo. Aproximadamente el 20% consiste de alguna forma de materia oscura: Partículas masivas o aglomeraciones de partículas que no brillan y no dispersan o absorben luz. Los astrónomos pueden detectar materia oscura observando cómo ésta distorsiona las imágenes de galaxias distantes, un efecto conocido como lente gravitatorio, y entonces pueden trazar un mapa de la distribución de la materia oscura a lo largo del espacio. La composición de materia oscura aún no se conoce; esta podría consistir de una nube de partículas elementales con algún orden desconocido aunque hay otras posibilidades. Sin embargo, debemos nuestra existencia a la materia oscura. Sin la atracción adicional de la materia oscura, las estrellas y las galaxias, probablemente no se hubieran formado, debido a que la expansión del Universo, habría dispersado la materia ordinaria rápidamente.

Más sorprendente es el hecho de que la mayoría de la energía del Universo actual consiste de algo totalmente distinto (Una efímera materia oscura que se repele a sí misma). Un grupo de materia ordinaria o materia oscura tiene una fuerza gravitatoria de atracción que ralentiza la expansión del Universo, pero la energía oscura ‘empuja’ para separarlo y así acelerar la expansión del cosmos. Dado que la mayoría de la energía del Universo es oscura, la expansión del Universo, se está acelerando. En consecuencia, la materia oscura interpreta un papel crucial en el pasado causando la formación de galaxias, y el de la energía oscura en la continua evolución del Universo. ¿Qué son la energía y materia oscura y como es que encajan en el entendimiento completo de la materia, energía, espacio y tiempo? Esa es una de las cuestiones científicas más irresistibles de nuestro tiempo.

El predominio de la materia sobre la antimateria en el Universo también proporciona problemas al Modelo Estándar. En 1928, la incorporación de Dirac de la Teoría de la Relatividad General de Einstein en la mecánica cuántica sugiere que, por cada tipo de partícula elemental, hay una antipartícula con la misma masa y carga contraria. Cuando una partícula y su antipartícula se reúnen, ambas se aniquilan y su masa se convierte en energía radiante. Los experimentos utilizando antimateria en laboratorios de física de alta energía muestran que las fuerzas fundamentales actúan casi igual en partículas que en antipartículas excepto por pequeñas diferencias que pueden explicarse utilizando el Modelo Estándar. Sin embargo, el Modelo Estándar no puede explicar porque el Universo consiste casi por completo de materia y casi no de antimateria. Esta asimetría es buena, dado que si tuviera cantidades similares, todo se habría aniquilado en el Universo primigenio. Sin embargo, la causa de este gran desequilibrio sigue siendo un misterio. Muchos físicos creen que fue creado por procesos físicos que ocurrieron cuando el Universo se fue enfriando después del Big Bang. Podría ser posible estudiar algunos de los mismos procesos físicos por medio de la colisión de partículas elementales en altas energías en los aceleradores.

Otra cuestión sobresaliente involucra la evolución temprana del Universo. La mayoría de los cosmólogos cree que las estructuras de gran escala del Universo fueron creadas por un ‘estallido’ que derivó en una inflación, un breve periodo de hiperacelerada expansión durante los primeros 10-30 segundos después del Big Bang, quizás asociado con interacciones que involucran energía oscura. Esta inflación podría haber suavizado rápidamente la distribución de materia y energía, excepto por excepto por ‘pequeños grumos’ que posteriormente serían las semillas para la formación de galaxias. Observaciones recientes de la radiación cósmica de fondo ha proporcionado pruebas que corroboran exquisitamente precisa esta idea de la inflación, pero permanece un componente clave perdido, la explicación sobre qué fue lo que condujo esa hiper-expansión. El Modelo Estándar no proporciona una respuesta, pero las nuevas leyes físicas descubiertas utilizando los aceleradores de alta energía de última generación podrían proporcionar pistas esenciales.

Las nuevas evidencias acerca de las propiedades de los neutrinos también plantean nuevas cuestiones. Los neutrinos son numerosos en extremo pero rara vez interactúan con los constituyentes básicos de la materia (Billones de billones de neutrinos pasan inalterados a través de nosotros cada segundo, literalmente).Una serie de experimentos ha demostrado que los neutrinos, quienes largamente se consideraron sin masa, si poseen una muy pequeña (Aproximadamente 1/200,000 de la masa del electrón, quien de hecho, tiene una masa extremadamente pequeña. Por otra parte, los neutrinos producidos en la naturaleza no están aparentemente en un estado de masa concreto. Este fenómeno, el cual podría desconcertar a un físico clásico, es un efecto típico de la mecánica cuántica. Esto tiene una consecuencia peculiar: Los neutrinos pueden cambiar espontáneamente de una forma a otra, efecto conocido como “Oscilaciones de neutrinos”. Las masas de los neutrinos no se ajustan al Modelo Estándar, así que estas nuevas observaciones han necesitado la primera mayor ampliación del Modelo Estándar en tres décadas. Exactamente que extensiones se requieren es algo que no sabremos hasta que se completen los experimentos de neutrinos actualmente en operación, así como la siguiente generación de experimentos que ahora se están planeando o iniciando.

Así, prácticamente al inicio del siglo veintiuno, los experimentos de física de partículas, observaciones astronómicas, y desarrollo teóricos tanto en la física de partículas como en la cosmología, apuntan a nuevos fenómenos que están justo en el borde de ser observados La combinación de la teoría cuántica y la relatividad general, y el entendimiento de la materia y energía oscuras, requerirán nuevas ideas y nuevos experimentos. La tecnología necesaria para conducir esos experimentos está ahora disponible. Como resultado, la física de partículas está lista en la orilla de una nueva revolución científica tan profunda como la que Einstein y otros la marcaron a principios del siglo veinte. Hay muchas posibilidades de que estos descubrimientos Teraescalares tengan un impacto igualmente importante en otros campos de la ciencia.

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