Física escondida a plena vista
¿Y si las pruebas que podrían revolucionar la física estuvieran ante nuestros ojos y no nos hubiéramos dado cuenta? Algunos científicos sospechan que en el gran colisionador de hadrones del CERN ya se han producido los fenómenos que cambiarán nuestra comp
Es un viejo chiste. Una mujer vuelve a casa y se encuentra con un vecino que busca sus llaves a la luz de una farola. “¿Se te cayeron ahí?”, pregunta ella. “No —replica él—, pero es donde hay luz”. Cambia unos detalles y estarás describiendo el estado actual de la física de partículas. Con la diferencia de que nadie se reirá. Durante más de una década, el experimento más caro de la historia ha acelerado protones para estrellarlos unos contra otros a una velocidad casi igual a la de la luz. Billones de impactos provocados en el gran colisionador de hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del Laboratorio Europeo de Física de Partículas Elementales (CERN) de Ginebra han contribuido a conformar nuestra imagen de la realidad. Pero muchos de los problemas que el LHC estaba llamado a resolver permanecen sin respuesta. Para toda una generación de físicos, esta amenaza de estancamiento significa que ha llegado la hora de replantearse sus investigaciones. En lugar de desarrollar experimentos aún más potentes que los del CERN, algunos plantean una hipótesis radical. Creen que el LHC podría haber encontrado ya las pistas para poner los cimientos de una nueva y emocionante física. Y que no nos hemos dado cuenta.
ANALIZAR MILLONES DE GIGAS DE DATOS EN BUSCA DE ESOS RASTROS INADVERTIDOS ES UNA TAREA COMPLICADA Y LARGA,
y requerirá nuevos algoritmos de gran potencia. Esta es la razón de que haya investigadores que busquen atajos, centrándose en los puntos ciegos de las observaciones, a la caza de una prometedora nueva idea oculta en la sombra. Su teoría de que existen partículas a las que mantiene ocultas la naturaleza de sus interacciones podría ser la clave para resolver los asuntos de la física que mayor perplejidad nos causan. O acabar en nada. Pero ha llegado el momento de aventurarse en la oscuridad.
Como farola, hay que admitir que el LHC es muy potente. En su interior, los choques de protones se suceden a razón de mil millones por segundo, lo que genera un flujo de datos imposible de almacenar por completo. La información se filtra para aislar sucesos interesantes, pero a pesar de los descartes, queda una enormidad por revisar. El Centro de Datos del CERN registra cada año más de 30 petabytes –un petabyte equivale a 106 gigabytes– de información procedentes de los experimentos del LHC: llenarían 1,2 millones de discos de Blu-ray y darían para 250 años de vídeo en alta definición. Ya hay guardados de forma permanente más de 100 petabytes. Y como dice Nathaniel Craig, físico teórico de la Universidad de California en Santa Bárbara, “solo puedes analizar un número finito de posibilidades”.
Esto implica que para priorizar qué investigar has de basarte en corazonadas. A veces compensa. Tomemos el caso del bosón de Higgs, la partícula propuesta en los años sesenta para explicar cómo adquieren su masa las partículas elementales. Los teóricos predijeron que cuando dos protones colisionaran con una energía lo suficientemente alta, esta escurridiza partícula podría surgir y mantenerse estable por un periodo infinitesimal de tiempo antes de desintegrarse en una cascada de partículas muy reveladoras. Cuando el LHC entró en acción en 2009, muchos de los trabajos se encaminaron a detectar esa efímera desintegración en mitad de un ensordecedor ruido de fondo.
“Uno sabe el aspecto que debería tener una partícula —comenta Noam Tal Hod, del Departamento de Física de Partículas y
Astrofísica del Instituto Weizmann de Ciencias (Israel)—. Pero el análisis es muy, muy complejo”. El 4 de julio de 2012, el trabajo duro dio su fruto. Los datos del acelerador de partículas del CERN revelaron la existencia de un número sospechosamente alto de parejas de fotones surgidos con una energía de 125 gigaelectronvoltios, equivalente a la probable masa del bosón de Higgs. Semejante pico en los datos era justo la señal que se buscaba.
EL BOSÓN DE HIGGS ERA LA ÚLTIMA PIEZA DEL PUZLE DEL MODELO ESTÁNDAR DE PARTÍCULAS,
una especie de retrato de familia comprensible de todas las fuerzas y partículas conocidas del universo. Completarlo culminó un esfuerzo de décadas, pero no todo el mundo lo celebró. Numerosos enigmas fundamentales continuaban siéndolo, lo que sugería que había algo más allá del modelo a la espera de ser descubierto. La mayoría de estas incógnitas podían reducirse a una: algunas cosas excepcionalmente pequeñas se relacionan con cosas excepcionalmente grandes. En física, esto se conoce como problema de jerarquía, y una vez que tomas conciencia de él, te lo encuentras por todas partes.
Para explicarlo, tomemos en consideración las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las más débiles son la gravedad y la fuerza nuclear débil, que solo interviene a escalas minúsculas y es responsable de ciertos tipos de desintegración radiactiva. La fuerza débil es débil, sí; pero a escala nuclear, la de la gravedad es 25 veces más floja. Parece una locura, y nadie ha logrado explicarlo. Las asimetrías surgen mires donde mires. La energía oscura, la misteriosa fuerza que acelera la expansión del universo, es unas 120 veces más débil de lo que se esperaba. La materia oscura –la forma dominante de materia en el espacio– interactúa de forma muy tenue con la materia. Los neutrinos, las partículas más ligeras del modelo estándar, son miles de veces más ligeras que ninguna otra.
Tales disparidades –estos problemas de jerarquía– molestan a muchos físicos, que prefieren que los parámetros relacionados en una teoría presenten valores ampliamente consistentes. Esta predilección por las soluciones naturales, como se dice en la jerga de la disciplina, impulsa muchas especulaciones teóricas,
El Centro de Datos del CERN dispone de 15.000 servidores y 230.000 procesadores que trabajan sin interrupción
excesivas según algunos. Craig, por ejemplo, piensa que “la naturaleza no se preocupa por nuestra estética, y la realidad no necesita ser hermosa”.
En el periodo previo a los primeros experimentos del LHC, se buscaban las citadas soluciones naturales, que pretendían resolver un problema de jerarquía. Dado que se suponía que el bosón de Higgs confería la masa a las partículas elementales, algunos cálculos predijeron que cada una de esas partículas incrementaría en correspondencia la masa de los bosones. Esto daba como resultado partículas diecisiete veces más masivas de lo que los físicos consideraban probable, un problema de jerarquía que debía solucionarse.
El arreglo elegido consistió en imaginar que cada partícula poseía un gemelo supersimétrico más pesado, cuyas interacciones con el bosón de Higgs anularían el exceso de masa. Pero en las mediciones del LHC no hay ni rastro de los picos que corresponderían a las partículas supersimétricas, al menos no en la forma en la que se buscaban. La teoría de la supersimetría (conocida por los físicos como SUSY, su acrónimo en inglés) sigue sin pruebas que la respalden.
HA PASADO UNA DÉCADA, Y NADA HA CAMBIADO.
Nos hemos centrado en la supersimetría demasiado tiempo, dice Isabel García, física de la Universidad de California en Santa Bárbara (EE. UU.). Hemos buscado solo bajo la luz de la farola, en detrimento del resto de la calle. Pero al LHC le queda mucho por hacer: solo ha recopilado un 3% del total de los datos que se espera que reúna en su vida útil. Los trabajos para actualizarlo posibilitarán que en 2020 multiplique por cinco o más la cifra de colisiones de protones por segundo, lo que disparará las posibilidades de descubrir algo sorprendente. El relativo fracaso del LHC a la hora de romper esquemas
Al LHC le queda mucho trabajo por hacer: solo ha obtenido un 3% de los datos que se espera que reúna durante su vida útil
ha animado a una nueva generación de físicos a cuestionarse las intuiciones que motivaron las antiguas búsquedas. “Este optimismo es más común entre los jóvenes —señala Matthew Mccullough, físico teórico en el CERN—. Nos hemos sacudido las telarañas de las teorías que nos transmitieron nuestros directores de tesis”.
En lugar de esperar a que se construya un acelerador que responda a las especificaciones que ellos marquen, estos científicos quieren explotar un recurso incomparable: los más de 100 petabytes de datos generados por el LHC y almacenados. Hasta ahora, el análisis de las colisiones de partículas se ha ceñido casi por completo a las posibilidades del modelo estándar o a extensiones de este, como la supersimetría. Pero hay otras formas de estudiar esa información.
EN UN MUNDO IDEAL, LOS FÍSICOS PODRÍAN LIBERARSE DE LAS IDEAS PRECONCEBIDAS,
y luego comparar cada aspecto de cada colisión de protones mediante simulaciones perfectas basadas en el modelo estándar de partículas. Por mínima que fuera, cualquier anomalía en las mediciones dispararía las alarmas. Pero estas simulaciones sin filtros previos alcanzarían tal número que superarían la actual capacidad computacional de los ordenadores. De hecho, muchas de las predicciones elaboradas a partir del modelo estándar de partículas no dan valores precisos, sino aproximaciones surgidas de la simplificación de cálculos muy complejos. Dadas las carencias de nuestra presente capacidad de cálculo, las alarmas podrían saltar sin cesar y originar una sucesión interminable de falsos positivos.
El aprendizaje automático –la rama de la inteligencia artificial que enseña a las máquinas a pensar como humanos– podría solucionar esta debilidad computacional. El CERN lo ha usado –hasta cierto punto– durante años, y es una tecnología que se desarrolla muy rápido, a medida que los ordenadores ganan en potencia y evolucionan los algoritmos.
Maurizio Pierini, investigador del CERN, imagina nuevas búsquedas automatizadas que darán resultados inesperados. En su visión, las anomalías detectadas se contarían por centenares cada mes, y eso a partir de una fracción minúscula de los datos reunidos por el LHC. Los científicos las revisarían, y enseñarían a los algoritmos a identificar y descartar los falsos positivos, lo que afinaría su búsqueda de resultados interesantes.
Para Nathaniel Craig, “el aprendizaje automático es prometedor y necesario”, pero cualquier intento serio de examinar con todo cuidado los datos ya recopilados llevará tiempo. Por eso, algunos sugieren que sería más útil encontrar una farola que ilumine mejor que escrutar cada palmo de la calle en busca de las llaves.
Sea cual sea la intuición teórica que decidamos seguir como marco explicativo de la realidad, tendremos que elegirla con mucho cuidado. La física de partículas comienza a librarse de su obsesión de décadas con la supersimetría, y lo último que necesitamos es sustituirla por otra hipótesis similar. Existe un alternativa tentadora, una que resolvería
los muchos misterios implícitos en el modelo estándar y que podría deducirse a partir de los datos obtenidos por el LHC. Estaría oculta a plena vista, por decirlo así. La teoría parte de una investigación emprendida en 2015 por dos equipos de físicos independientes, que pretendían resolver un conocido problema de jerarquía: ¿por qué la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas elementales? El resultado de su trabajo fue un modelo explicativo al que llamaron mecanismo de relojería, una analogía para entenderlo.
SE EXPLICA ASÍ: GRACIAS A LOS ENGRANAJES ANIDADOS EN EL INTERIOR DE UN RELOJ MECÁNICO,
cada movimiento de la manecilla del segundero produce otro en la de las horas, lo que permite conectar escalas de tiempo muy diferentes. Cambiemos los engranajes por partículas aún por detectar, cada una de ellas capaz de interactuar con sus vecinas más cercanas, y podremos construir un puente que unirá dos áreas de la física que operan a escalas muy distintas. “Es una idea hermosa”, dice uno de sus creadores, Matthew Mccullough, que la ha desarrollado con su jefe y director del Departamento de Física Teórica del CERN, Gian F. Giudice. Han aplicado la analogía del mecanismo de relojería al cosmos entero, en el que infinitas cadenas de engranajes conectarían la debilísima fuerza de la gravedad con el resto de las fuerzas básicas.
Christophe Grojean, físico teórico del DESY, el laboratorio de física de partículas más importante de Alemania, es uno de los científicos más impresionados por el potencial de este trabajo, que a su juicio “podría revelar aspectos ocultos de la materia”. Desde su publicación hace cuatro años, la teoría del mecanismo de relojería se ha extendido, y una avalancha de investigaciones ha sugerido formas de aplicarla a muchos de los problemas más frustrantes de la física, como la naturaleza de la materia oscura o la masa de los neutrinos.
Esta hipótesis no es la única respuesta matemáticamente sólida y convincente a las muchas incógnitas suscitadas por el modelo estándar de partículas. Lo que la distingue son sus implicaciones experimentales: si existe tal mecanismo de relojería, el LHC habría fracasado al no encontrarlo. El bosón de Higgs fue relativamente fácil de detectar porque causó una alteración –un pico– muy evidente en los datos. Pero la teoría de Mccullough y Giudice predice la existencia de una serie de nuevas y muy interrelacionadas partículas que aparecerían “como un peine de picos”, en palabras de Mccullough.
Es decir, justo como el tipo de patrón que los físicos suelen descartar al considerarlo ruido de fondo. Detectar estas señales re
Hay una vieja pregunta que atormenta a los físicos: ¿por qué la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas elementales?
quiere un cambio radical de perspectiva. Sigamos con las analogías: en lugar de buscar los picos más altos de una cordillera distante, tendríamos que prestar más atención al paisaje considerado como un todo. Para Isabel García, este cambio de enfoque nos permitiría obtener nuevos resultados muy valiosos, al margen de que se relacionen o no con la seductora teoría del mecanismo de relojería.
LLEVAR A CABO LAS BÚSQUEDAS NECESARIAS RESULTARÍA FÁCIL,
según Pierini. De hecho, Tal Hod ya ha trabajado con simulaciones del LHC –más accesibles y manipulables que los datos reales del acelerador– en busca de señales características del modelo del mecanismo de relojería y que podrían haber pasado desapercibidas. Este investigador israelí afirma que es la primera vez que se rastrea algo de esa naturaleza fluctuante. Ha encontrado indicios que concuerdan con la nueva teoría, y eso alimenta la esperanza de que análisis más profundos permitan anunciar cosas importantes este mismo año. Por supuesto, la hipótesis podría venirse abajo al confrontarla con la realidad. Pero una idea fallida puede resultar muy inspiradora. Que se lo pregunten a los físicos que han crecido a la larga sombra de la supersimetría.
“Nadie sabe dónde se descubrirá la nueva física”, dice Mccullough. Algunas teorías proponen que hay partículas de larga vida media –no como el efímero bosón de Higgs– que no podemos ver directamente, y que no se desintegran en algo que podamos descubrir hasta mucho después de que hayan pasado por los detectores del LHC. Por otro lado, se han puesto en marcha experimentos a menor escala que buscan los cimientos de una nueva física mediante métodos distintos a los de los grandes aceleradores de partículas. Pero la mayoría de las miradas recaen sobre el LHC, que Craig compara con “un acorazado gigante. Los barcos pequeños libran muchas escaramuzas, pero es el barco grande el que gana la guerra”.