El Modelo Estándar ha tenido un éxito extraordinario en la predicción del mundo subatómico, pero, al mismo tiempo, no explica la gravedad ni misterios como la materia oscura y la energía oscura. Estos misterios están asociados con la física más allá del Modelo Estándar o “nueva física”. Pero, he aquí, el Modelo Estándar también tiene problemas, o mejor dicho, rompecabezas, por sí solo.
En un artículo publicado la semana pasada en Physical Review Letters (acceso abierto), dos científicos del CERN ofrecen una forma creativa de explicar dos viejos enigmas del Modelo Estándar. Uno de ellos está asociado con la violación de la simetría en interacciones fuertes, lo que ayuda a comprender por qué vemos más materia que antimateria, pero sigue esquivando los experimentos. El otro tiene que ver con la masa observada del bosón de Higgs, que resultó demasiado pequeña de lo que esperaban los científicos.
El misterio de la masa de Higgs
El marco teórico del Modelo Estándar no predice la masa de las partículas subatómicas; sin embargo, los físicos tienen otras formas de estimar tales números.
En el caso del bosón de Higgs, los físicos usan análisis dimensional, un método de regla general para estimar números que no se pueden obtener a partir de cálculos directos. Ayuda a proponer cómo construir experimentos y qué buscar. Análisis dimensional considera las conocidas y bien medidas constantes universales como la velocidad de la luz en el vacío, la constante de Planck, que cobra mucha relevancia en los fenómenos cuánticos, y la constante gravitatoria. El truco es combinarlos para producir un número con las unidades necesarias; en este caso, unidades de masa. La masa de Higgs estimada de esta forma tiene sentido dentro del Modelo Estándar, pero los experimentos siempre tienen la última palabra.
En 2012, el mundo celebró el hallazgo experimental del bosón de Higgs, pero con una masa unas diez veces una trillonésima (¡19 ceros!) menor que la esperada en el análisis dimensional.
Además, introducir la masa real en las ecuaciones del modelo estándar requiere un proceso muy incómodo o de «ajuste fino antinatural» para eliminar los términos matemáticos no deseados.
Problema de no violación de interacciones fuertes
En física, las leyes de la naturaleza deberían ser las mismas para los observadores que cambian su posición de ciertas maneras: se trasladan, giran, etc. Los científicos imaginan estos cambios como transformaciones de simetría del espacio-tiempo. Además, las leyes de la naturaleza deberían ser las mismas si hacemos varias transformaciones de simetría, una seguida de otra, primero trasladándose y luego rotando. Invertir la dirección del marco de referencia (o reflexión) también es una simetría del espacio-tiempo. Los físicos llamaron a esta simetría «paridad (P)».
P: (x,y,z) —> (-x,-yz)
No hay razón teórica para que la naturaleza sea diferente bajo esta transformación. Imagina mirar partículas en un espejo y que el mundo del espejo fuera diferente; eso suena imposible!
En 1956, los físicos teóricos Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang propusieron evaluar experimentalmente si la simetría partidista se mantiene en las interacciones electrodébiles. Chien-Shiung Wu (Madame Wu) diseñó el experimento y descubrió que, efectivamente, la simetría de paridad no se cumple en ese caso; impactando a físicos de renombre como Wolfgang Pauli, quien afirmaba que era imposible. En el año siguiente, Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang se convirtieron en ganadores del Premio Nobel de Física.
A nivel subatómico, cobra relevancia otra simetría; se llama conjugación de carga, que es una operación que reemplaza todas las partículas con sus antipartículas (C). En teoría, las leyes de la naturaleza deberían ser las mismas ya sea que el universo esté hecho de partículas o antipartículas. Sin embargo, los experimentos muestran que la simetría combinada donde las primeras partículas se intercambian con sus antipartículas y luego se considera una transformación de paridad (CP) se viola en las interacciones electrodébiles. Por este descubrimiento, James Cronin y Val Fitch fueron premiados el premio nobel de fisica 1980.
En este punto, puede pensar que esto es un desastre para la física de partículas. En realidad, no lo es, ya que puede ayudar a explicar por qué observamos más materia que antimateria. Pero espere, ningún experimento muestra que la simetría CP se viole en interacciones fuertes. De hecho, muchos los experimentos muestran que es una simetría sólida de las interacciones fuertes (CP fuerte). Entonces, ¿por qué es eso? Este es un gran rompecabezas antiguo, y hasta ahora, no hay una explicación satisfactoria.
Un modelo multiverso para explicar la “naturalidad”
En su artículo, Raffaele D’Agnolo y Daniele Teresi exploran una idea que denominaron “naturalidad deslizante”, que tiene interesantes consecuencias cosmológicas. Proponen un paisaje de diferentes masas de Higgs y «grados» de fuertes violaciones de CP (los físicos usan un ángulo para cuantificar la simetría de CP) en el Universo primitivo. También consideran diferentes valores de la constante cosmológica, que es un número que te dice cómo se comporta el Universo como un todo. «Diferentes parches del Universo tienen diferentes valores para estas cantidades», escribieron.
Desde el punto de vista cosmológico, el dúo interpreta estos “parches del Universo” como un multiverso. Descubrieron que, con su prescripción, los universos con grandes masas de Higgs y grandes ángulos de fuerte simetría CP siempre colapsan en muy poco tiempo; algunos de ellos incluso antes de que existiera cualquier partícula subatómica (aparte del Higgs). Pero los universos «con masas de Higgs pequeñas y ángulos de violación CP fuertes muy pequeños sobreviven hasta hoy». La masa observada del Higgs resultó estar felizmente incluida en los universos sobrevivientes. Su marco también contiene consideraciones sobre la materia oscura, lo que los lleva a sugerir cómo buscarla.
Tenga en cuenta que ninguno de estos acertijos del modelo estándar son problemas de consistencia de la teoría, sino problemas de «naturalidad». Muchos físicos teóricos piensan que la teoría debería explicar completamente los resultados y las observaciones experimentales. Ya sea que estemos de acuerdo con su relevancia o no, la naturalidad ha sido un impulso importante para buscar mejores descripciones del cosmos.
Referencias
D’Agnolo, RT y Teresi, D. (2022). Naturalidad deslizante: nueva solución a los problemas de jerarquía de CP fuerte y electrodébil. Cartas de revisión física, 128(2). https://doi.org/10.1103/physrevlett.128.021803
