“Hacer física hoy es como bajar al río y voltear todas las piedras para ver qué aparece”

El modelo estándar de la física es una maravilla de la ciencia moderna. Con 17 partículas elementales, describe la composición y el comportamiento del universo con una fiabilidad demostrada en los grandes experimentos de física de las últimas décadas. Sin embargo, es un marco teórico incompleto: no incluye la fuerza de gravedad descrita por Einstein, no explica la composición de la materia oscura detectada por los cosmólogos y no predijo que los neutrinos —partículas sumamente ligeras pero no incorpóreas— tuvieran masa.

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El científico del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) Marzio Nessi (1957, Muralto, Suiza), que viene a Madrid para participar en el IV Ciclo de Conferencias organizadas por CERN y la Fundación BBVA, lleva años desentrañando los misterios del modelo estándar. Entre 2000 y 2013 fue director del experimento Atlas, el detector de partículas que encontró el bosón de Higgs entre los escombros de impactos entre protones llevados a cabo por el Gran Colisionador de Hadrones. Ahora, Nessi dirige la Plataforma de Neutrinos de CERN, que juega un papel fundamental en la investigación de los neutrinos a nivel mundial gracias a la construcción de protoDUNE, dos detectores de partículas de mil toneladas cada uno. Estos instrumentos son prototipos en miniatura de cuatro detectores de neutrinos que se construirán en EE UU para encontrar física más allá del modelo estándar y explicar misterios como la asimetría entre la materia y la antimateria del universo.

Pregunta. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se construyó para encontrar la última pieza del modelo estándar de la física de partículas, el bosón de Higgs. Ahora lleva años buscando física más allá del modelo estándar, pero no ha encontrado nada. ¿Es hora de considerar enfoques nuevos y radicales en la experimentación de física de partículas?

Respuesta. En realidad el LHC se construyó para encontrar nueva física. Completar el modelo estándar [con el bosón de Higgs] era solo el primer paso, pero a largo plazo siempre fue para encontrar física más allá. La principal teoría que estudia es la supersimetría, pero de momento sigue siendo un rompecabezas. Hemos buscado la supersimetría en todas las configuraciones posibles que se nos ocurren, empezando por lo fácil y luego buscando cada vez situaciones más específicas, pero por el momento no hemos encontrado nada. No obstante, queda mucho espacio matemático por estudiar: estamos solo al comienzo y queremos hacer análisis con más poder estadístico. Además, también buscamos mediciones más precisas del propio bosón de Higgs.

Es el sueño de todo físico es describir todas las fuerzas con una sola fórmula. Además, la teoría de la supersimetría explica también la gravedad, que no está incluida en el modelo estándar. Resuelve muchos problemas

P. ¿En qué consiste la teoría de la supersimetría?

R. En el modelo estándar hay partículas que describen la materia y partículas que describen las fuerzas. Las partículas de materia [fermiones] tienen un comportamiento concreto, pueden formar átomos, y tienen otra característica, el número cuántico —también llamado spin, algo como el momento angular de su rotación—, con valor de ½. Las partículas de fuerzas tienen otro comportamiento y su spin tiene valor de 1 o de 0; se llaman bosones. Toda la maquinaria del modelo estándar de partículas se ha construido en torno al concepto de la simetría: si algo funciona, su inverso también debería funcionar. Así, si inviertes la carga eléctrica de las partículas, debería funcionar todo igual. El último nivel de simetría es el número cuántico: deberíamos poder añadir ½ al spin de las partículas de materia y ½ al spin de las partículas de fuerza: las primeras se convertirían en bosones y las segundas, en fermiones.

Si añades estas partículas [supersimétricas] a los cálculos, se cancelan muchos elementos matemáticos complicados que la física no es capaz de explicar, y todo se vuelve muy claro. Por ejemplo, al añadir estas partículas todas las fuerzas de una determinada energía se vuelven iguales. Es el sueño de todo físico: describir todas las fuerzas con una sola fórmula. Además, la teoría de la supersimetría explica también la gravedad, que no está incluida en el modelo estándar. Resuelve muchos problemas, así que desde hace 20 o 30 años, es la teoría favorita.

P. ¿No interfiere el deseo de que la teoría sea cierta con la objetividad científica?

R. A lo mejor es ingenuidad, o el hecho de que encontramos belleza en un mundo simétrico. Puede que sea una limitación, pero es la forma en que está construido nuestro cerebro.

P. Los experimentos de física normalmente buscan una señal muy concreta que predicen los cálculos teóricos. Sin embargo, Atlas, el principal experimento del LHC que usted dirigió durante años, anunció un cambio de estrategia hace unos meses: ahora analiza datos de todas las colisiones del acelerador para buscar cualquier patrón novedoso. ¿Cómo se puede encontrar algo nuevo sin saber lo que se está buscando?

R. Es verdad que estamos viviendo la física de los desconocidos 'desconocidos'. El bosón de Higgs era un desconocido 'conocido': aunque no todo el mundo estuviera convencido de que iba a aparecer, teníamos una idea teórica que nos guiaba. Ahora no nos guía una teoría y no sabemos lo que vamos a encontrar. Es como bajar al río y voltear todas las piedras para ver qué aparece. Tenemos muchas mentes, sobre todo mentes jóvenes, para asegurarnos de analizar todos los datos que recogemos. También se utiliza inteligencia artificial para buscar patrones en los datos. Pero hay problemas: hace un par de años, encontramos una señal intrigante que resultó ser una fluctuación estadística, pero la gente se emocionó. Aparecieron cientos de teorías para intentar explicar el fenómeno.

P. Hay una competición salvaje en la ciencia por ser el primero en publicar la teoría.

Los neutrinos deben tener masa porque oscilan: cambian de sabor [clase de partícula] al moverse. Pero lo que vemos no es la realidad, es lo que la naturaleza nos quiere enseñar

R. Exacto, esa es la dificultad. Pero es parte de la vida normal en cualquier sociedad. La gente quiere reconocimiento por su trabajo. Sobre todo los físicos teóricos, tienen que demostrar solo con su cerebro, lápiz y papel que están en lo cierto, y tienen que luchar por defender su punto de vista. Por eso la física experimental es tan importante: tiene que ser la guía que diga “esta teoría fuera, esta fuera, esta también fuera”. En el LHC ocurre todo el rato: se destruyen teorías una detrás de otra y la gente tiene que volver a empezar.

P. Los descubrimientos que se han hecho sobre los neutrinos recientemente, como el hecho de que tengan masa, ya los sitúan fuera de las predicciones del modelo estándar. ¿Tiene esto algo que ver con la supersimetría?

R. No lo sabemos. Los neutrinos deben tener masa porque oscilan: cambian de sabor [clase de partícula] al moverse. Pero lo que vemos no es la realidad, es lo que la naturaleza nos quiere enseñar. Por debajo hay otro nivel de realidad, los mass eigenstates [atributos fundamentales de los neutrinos], que no conocemos. Se mezclan en función de la energía, la distancia, factores así, y lo que vemos es una combinación, pero no el motivo de fondo. Sabemos cómo se comportan los neutrinos porque tenemos formas de definir los parámetros que describen su comportamiento, pero el por qué se comportan así, cuáles son esas características de fondo… eso es otra historia. Podríamos estar viendo solo la superficie de algo mucho más complejo.

P. Usted dirige la participación de CERN en el experimento de neutrinos subterráneo profundo (DUNE) que se está construyendo en Estados Unidos. ¿Nos enseñará algo sobre estos atributos básicos y desconocidos de los neutrinos?

R. DUNE es un experimento para estudiar la oscilación de neutrinos a escalas muy grandes, con un haz de neutrinos poderosísimo. Vamos a observar las oscilaciones y describirlas, estudiando todos sus parámetros. Algunos de estos parámetros son conocidos y otros son desconocidos: por ejemplo, podríamos observar el fenómeno que explica la asimetría entre la materia y la antimateria del universo, o por qué estamos todos hechos de materia.

P. DUNE es un experimento enorme de ciencia básica, pero además, ¿puede tener un valor práctico ese conocimiento?

Cada tanque de protoDUNE pesa mil toneladas y contiene argón líquido a 184 grados bajo cero. Era un paso necesario para demostrar que funcionará. ProtoDUNE funciona a la perfección, pero no verá nunca neutrinos.

R. Es como el bosón de Higgs. No le puedes decir a nadie que el bosón de Higgs va a ser relevante en su vida. Es conocimiento puro, lo cual significa conocimiento para el futuro. Pero también hace falta desarrollar nuevas tecnologías que podrían encontrar aplicaciones inesperadas en el mundo civil. DUNE tiene varios objetivos científicos: con sus detectores subterráneos enormes de neutrinos, podremos ver también si los protones se desintegran, podremos entender la explosión de una supernova porque emite neutrinos, y el experimento de oscilación nos puede decir por qué hay tres familias [sabores] de partículas. Puede que haya un cuarto tipo de neutrino y habría que reevaluar nuestro modelo de todo el entorno. La pregunta es cuánto valor le da cada uno a ese conocimiento fundamental.

P. ¿Cuál es el objetivo del prototipo recién construido en CERN, protoDUNE?

R. Como DUNE es un experimento tan grande —empleará cuatro detectores de 20.000 toneladas cada uno, enterrados a un kilómetro y medio de profundidad—, pensamos que sería estúpido y arriesgado construir algo así sin tomar algunos pasos intermedios. Con protoDUNE hemos demostrado que podemos construir y operar detectores de este tipo. Cada tanque de protoDUNE pesa mil toneladas y contiene argón líquido a 184 grados bajo cero. Era un paso necesario para demostrar que funcionará. ProtoDUNE funciona a la perfección, pero no verá nunca neutrinos. En el espíritu de la globalización, decidimos no construir un experimento de neutrinos propio en CERN para concentrar todos los esfuerzos en el proyecto internacional en EE UU. Ahora vamos a abrir una convocatoria para propuestas: queremos que los prototipos se aprovechen para hacer física. Son detectores enormes y preciosos, quizás alguien tenga una buena idea para utilizarlos en la búsqueda de materia oscura o algo así.