Un acelerador de partículas atisba “un nuevo mecanismo de la naturaleza”

Uno de los mayores aceleradores de partículas del planeta arroja hoy un resultado inquietante: la masa del bosón W —una partícula elemental crucial para nuestro conocimiento de la materia y el universo— no es la que debería ser.

Si estos resultados se confirman, “tiene que ser porque hay un nuevo mecanismo de la naturaleza que desconocemos”, explica Ashutosh Kotwal, investigador de la Universidad de Duke (EE UU) y líder del estudio. Ese mecanismo “podría manifestarse en forma de partícula o de una interacción dentro del núcleo atómico que podríamos descubrir en futuros experimentos”, añ...

Uno de los mayores aceleradores de partículas del planeta arroja hoy un resultado inquietante: la masa del bosón W —una partícula elemental crucial para nuestro conocimiento de la materia y el universo— no es la que debería ser.

Si estos resultados se confirman, “tiene que ser porque hay un nuevo mecanismo de la naturaleza que desconocemos”, explica Ashutosh Kotwal, investigador de la Universidad de Duke (EE UU) y líder del estudio. Ese mecanismo “podría manifestarse en forma de partícula o de una interacción dentro del núcleo atómico que podríamos descubrir en futuros experimentos”, añade. En el trabajo han participado cientos de investigadores de 12 países que forman la colaboración del experimento CDF II, en el acelerador de partículas Tevatron de Estados Unidos.

Para comprender la importancia de este hallazgo hay que viajar al nivel cuántico de la materia: penetrar en los átomos microscópicos y llegar hasta sus componentes más simples, las partículas elementales. Todas las cosas que los humanos podemos ver y tocar están hechas con diferentes combinaciones de 17 partículas elementales —que se engloban en tres grandes grupos: quarks, leptones y bosones—. Si juntamos tres quarks obtenemos un protón y si le sumamos un leptón obtenemos el elemento más sencillo del universo, el hidrógeno. El uranio, uno de los más complejos, tiene más de 700 quarks de diferentes tipos y 92 leptones.

En los años setenta se acuñó el modelo estándar que define las propiedades de estas 17 piezas del puzle con las que formar los átomos de todos los elementos conocidos. Según este modelo, los quarks y los leptones componen la materia y los bosones transmiten las fuerzas conocidas, como el electromagnetismo. Desde hace décadas, los humanos vienen construyendo aceleradores de partículas cada vez más potentes para romper átomos en sus diferentes partículas elementales y comprobar si siguen estas reglas del juego. Los resultados publicados hoy muestran que al menos una de esas 17 piezas no obedece las normas.

Entre 2002 y 2011, el Tevatron estuvo disparando protones contra su reverso de antimateria, los antiprotones. Estas partículas viajan rozando la velocidad de la luz y al colisionar se desintegran en otras partículas elementales. Tras analizar más de cuatro millones de bosones W los responsables del experimento estadounidense encuentran que su masa es de 80.433 megaelectronvoltios, mientras que el modelo estándar predice 80.357, incluyendo en ambas medidas un margen de error. La diferencia se sale del marco teórico.

Hay solo tres posibilidades entre un billón de que este resultado se deba al azar. En la jerga de los físicos esto se llama siete sigma. En física de partículas un descubrimiento se acepta con un nivel de error de cinco sigma, aproximadamente una posibilidad de fallo entre un millón.

“Esta nueva medida de la masa del W es la más precisa y completa que se ha hecho hasta el momento. Son unos resultados espectaculares”, resalta Alberto Ruiz, investigador del Instituto de Física de Cantabria y uno de los autores del estudio, publicado en Science.

Por ahora el modelo estándar había descrito a la perfección el comportamiento de la materia convencional. El problema es que ese tipo de materia solo compone el 5% del universo. El resto del cosmos es materia oscura (27%) y energía oscura (68%) totalmente desconocidas. Puede que estos resultados sean los primeros atisbos de “nueva física”: partículas desconocidas que ayuden a explicar esos grandes enigmas del universo.

Hasta ahora los experimentos en dos aceleradores de partículas del laboratorio europeo de física de partículas CERN habían dado valores acordes con la teoría. Pero el año pasado, otro experimento del Tevatron también encontró discrepancias en el comportamiento de muón, otra partícula elemental.

El Tevatron dejó de operar en 2011. Ahora habrá que esperar a que los responsables del LHC —un acelerador de partículas aún más grande— revisen sus datos acumulados y confirmen o desmientan que este bosón no es exactamente como debería ser. Este proceso puede llevar hasta un año de análisis, opina Ruiz.

“Esta es la mayor discrepancia que se ha descrito entre la teoría y los resultados experimentales si tenemos en cuenta el nivel de fiabilidad, que es de siete sigma”, reconoce Sven Heinemeyer, investigador del Instituto de Física Teórica de Madrid. Heinemeyer es un físico teórico encargado de estudiar la masa real del bosón W y plantear nuevas teorías para encajarla. “La interpretación más plausible es que la supersimetría existe realmente, lo que implica que hay partículas conocidas que tienen hermanas supersimétricas desconocidas”, opina. Entre esas partículas estarían las que componen la materia oscura. “Lo más interesante”, añade Heinemeyer, “es que las nuevas partículas supersimétricas no tendrían mucha masa, por lo que es posible que el LHC pueda descubrirlas. Es muy sorprendente”, resalta.

Mario Martínez, investigador del Instituto de Física de Altas Energías de Barcelona, trabajó en Tevatron durante años y ahora participa en el experimento Atlas del LHC, uno de los que debe confirmar o refutar estos resultados. “Esta es una medida muy importante que requiere muchísima precisión, por eso se explica que se haya tardado más de 10 años en publicarla”, reconoce. “De momento yo recomiendo cautela. Las medidas anteriores sí coincidían con la teoría, por lo que puede haber algún error en la calibración del instrumento de EE UU. Habrá que esperar la confirmación con el LHC”, señala.

Lo que es ya seguro es que estos resultados abren un nuevo campo de trabajo, advierte Ruiz. “Después del descubrimiento del Higgs [la última de las 17 partículas elementales que quedaba por descubrir, hallada en 2012] el campo estaba algo paralizado y esto reactiva la búsqueda para intentar explicar fenómenos que no conocemos”.

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