Hace una década, los físicos de partículas emocionaron al mundo. El 4 de julio de 2012, 6000 investigadores que trabajaban con el colisionador de átomos más grande del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el laboratorio europeo de física de partículas, CERN, anunciaron que habían descubierto el bosón de Higgs, una partícula masiva y fugaz clave para su abstrusa explicación de cómo otras partículas fundamentales obtienen su masa. El descubrimiento cumplió una predicción de 45 años, completó una teoría llamada modelo estándar y puso a los físicos en el centro de atención.
Luego vino una larga resaca. Antes de que el LHC en forma de anillo de 27 kilómetros de largo comenzara a tomar datos en 2010, los físicos temían que pudiera producir el Higgs y nada más, sin dejar ninguna pista de lo que hay más allá del modelo estándar. Hasta ahora, ese escenario de pesadilla se está haciendo realidad. “Es un poco decepcionante”, admite Barry Barish, físico del Instituto de Tecnología de California. “Pensé que descubriríamos la supersimetría”, la principal extensión del modelo estándar.
Es demasiado pronto para desesperarse, dicen muchos físicos. Después de 3 años de actualizaciones, el LHC ahora se está encendiendo para la tercera de las cinco ejecuciones planificadas, y podría surgir alguna nueva partícula en los miles de millones de colisiones protón-protón que producirá cada segundo. De hecho, el LHC debería funcionar durante otros 16 años y, con más actualizaciones, debería recopilar 16 veces más datos de los que ya tiene. Todos esos datos podrían revelar signos sutiles de partículas y fenómenos novedosos.
Aún así, algunos investigadores dicen que la física de los colisionadores está escrita en la pared. “Si no encuentran nada, este campo está muerto”, dice Juan Collar, físico de la Universidad de Chicago que busca materia oscura en experimentos más pequeños. John Ellis, teórico del King’s College de Londres, dice que las esperanzas de un avance repentino han dado paso a la perspectiva de un largo e incierto camino hacia el descubrimiento. “Va a ser como sacarse los dientes, no como que se caigan los dientes”.
Desde la década de 1970, los físicos se han visto envueltos en un combate de lucha libre con el modelo estándar. Sostiene que la materia ordinaria consiste en partículas livianas llamadas quarks up y down quarks, que se unen en tríos para formar protones y neutrones, junto con electrones y partículas de peso pluma llamadas neutrinos electrónicos. Dos conjuntos de partículas más pesadas acechan en el vacío y pueden convertirse en una existencia fugaz en colisiones de partículas. Todos interactúan intercambiando otras partículas: el fotón transmite la fuerza electromagnética, el gluón transporta la fuerza fuerte que une a los quarks y los bosones W y Z masivos transportan la fuerza débil.
El modelo estándar describe todo lo que los científicos han visto hasta ahora en los colisionadores de partículas. Sin embargo, no puede ser la última teoría de la naturaleza. Omite la fuerza de la gravedad y no incluye la misteriosa materia oscura invisible, que parece superar la materia ordinaria en el universo seis a uno.
Se suponía que el LHC rompería ese callejón sin salida. En su anillo, los protones que circulan en direcciones opuestas chocan entre sí a energías casi siete veces más altas que en cualquier otro colisionador anterior, lo que permite que el LHC produzca partículas demasiado masivas para generarlas en otro lugar. Hace una década, muchos físicos imaginaron detectar rápidamente maravillas, incluidas nuevas partículas portadoras de fuerza o incluso miniagujeros negros. “Uno se ahogaría en partículas supersimétricas”, recuerda Beate Heinemann, directora de física de partículas del laboratorio alemán DESY. Encontrar el Higgs llevaría más tiempo, predijeron los físicos.
En cambio, el Higgs apareció en un período relativamente rápido de 3 años, en parte porque es algo menos masivo de lo que esperaban muchos físicos, aproximadamente 133 veces más pesado que un protón, lo que facilitó su producción. Y 10 años después de ese descubrimiento monumental, no ha surgido ninguna otra partícula nueva.
Esa escasez ha socavado dos de las preciadas ideas de los físicos. Una noción llamada naturalidad sugería que la baja masa del Higgs garantizaba más o menos la existencia de nuevas partículas al alcance del LHC. De acuerdo con la mecánica cuántica, cualquier partícula que aceche “virtualmente” en el vacío interactuará con las reales y afectará sus propiedades. Así es exactamente como los bosones de Higgs virtuales dan a otras partículas su masa.
Sin embargo, esa física funciona en ambos sentidos. La masa del bosón de Higgs debería ser empujada dramáticamente hacia arriba por otras partículas modelo estándar en el vacío, especialmente el quark top, una versión más pesada del quark up que pesa 184 veces más que el protón. Eso no sucede, por lo que los teóricos han razonado que al menos otra nueva partícula con una masa similar y las propiedades correctas, en particular, un giro diferente, debe existir en el vacío para contrarrestar «naturalmente» los efectos del quark top. .
El concepto teórico conocido como supersimetría proporcionaría tales partículas. Para cada partícula modelo estándar conocida, postula un compañero más pesado con un giro diferente. Acechando en el vacío, esos socios no solo evitarían que la masa de Higgs se escape, sino que también ayudarían a explicar cómo surgió el campo de Higgs, que impregna el vacío como un campo eléctrico inextinguible. Las partículas supersimétricas podrían incluso explicar la materia oscura.
Pero en lugar de esas partículas esperadas, lo que ha surgido en la última década son anomalías tentadoras (pequeñas discrepancias entre las observaciones y las predicciones del modelo estándar) que los físicos explorarán en los próximos 3 años del LHC. Por ejemplo, en 2017, los físicos que trabajaban con LHCb, uno de los cuatro grandes detectores de partículas alimentados por el LHC, descubrieron que los mesones B, partículas que contienen un quark de fondo pesado, se descomponen más a menudo en un electrón y un positrón que en una partícula llamada muón y un antimuón. El modelo estándar dice que las dos tasas deberían ser iguales, y la diferencia podría ser un indicio de socios supersimétricos, dice Ellis.
De manera similar, los experimentos en otros lugares sugieren que el muón podría ser ligeramente más magnético de lo que predice el modelo estándar (Ciencias, 9 de abril de 2021, pág. 113). Esa anomalía puede explicarse por la existencia de partículas exóticas llamadas leptoquarks, que podrían estar escondidas sin ser detectadas en la salida del LHC, dice Ellis.
El propio Higgs ofrece otras vías de exploración, ya que cualquier diferencia entre sus propiedades observadas y predichas señalaría una nueva física. Por ejemplo, en agosto de 2020, equipos de físicos que trabajaban con los dos detectores más grandes del LHC, ATLAS y CMS, anunciaron que ambos habían detectado la descomposición del Higgs en un muón y un antimuón. Si la tasa de esa descomposición difícil de ver varía de las predicciones, la desviación podría apuntar a nuevas partículas que se esconden en el vacío, dice Marcela Carena, teórica del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi.
Es probable que esas búsquedas no arrojen un dramático «¡Eureka!» momentos, sin embargo. “Hay un cambio hacia mediciones muy precisas de efectos sutiles”, dice Heinemann. Aún así, Carena dice: «Dudo mucho que en 20 años diga: ‘Vaya, después del descubrimiento del Higgs no aprendimos nada nuevo'».
Otros son menos optimistas sobre las posibilidades de los experimentadores del LHC. “Están frente al desierto y no saben qué tan ancho es”, dice Marvin Marshak, físico de la Universidad de Minnesota, Twin Cities, que estudia los neutrinos usando otras instalaciones. Incluso los optimistas dicen que si el LHC no encuentra nada nuevo, será más difícil convencer a los gobiernos del mundo de que construyan el próximo colisionador más grande y más caro para mantener el campo en funcionamiento.
Por ahora, muchos físicos en el LHC están emocionados de volver a aplastar protones. Durante los últimos 3 años, los científicos han mejorado los detectores y reelaborado los aceleradores de menor energía que alimentan el colisionador. El LHC ahora debería funcionar a una tasa de colisión más constante, aumentando efectivamente el flujo de datos hasta en un 50%, dice Mike Lamont, director de aceleradores y haces del CERN.
Los físicos de aceleradores han estado ajustando lentamente los haces del LHC durante meses, dice Lamont. Solo cuando los haces sean lo suficientemente estables, encenderán los detectores y reanudarán la toma de datos. Esos interruptores deberían activarse el 5 de julio, 10 años y 1 día después del anuncio del descubrimiento de Higgs, dice Lamont. «Es bueno empezar a correr de forma sostenida».
