En busca de las partículas más esquivas del universo

"Estimados, y radioactivos, señores y señoras… He encontrado una manera desesperada para salvar la Ley de conservación de la energía si suponemos que en el núcleo existen otras partículas sin carga eléctrica…". De esta forma, curiosa y humorística, comenzaba Wolfgang Pauli en 1930 una de las cartas más célebres de la Historia de la Ciencia. En ella, y para resolver un problema pendiente de la Física de su época, proponía un nuevo tipo de partícula a la que hoy conocemos como neutrinos.

Pauli tuvo que esperar 26 años hasta que una mañana de junio de 1956 recibió un telegrama de dos investigadores, Reines y Cowan, en el que le anunciaban que por fin habían conseguido detectar por primera vez en un experimento sus ansiados neutrinos. Al día siguiente, el científico les respondió: "Gracias por la noticia. Todo llega a quien sabe esperar"

Telegrama de Reines y Cowan.

Algo muy similar ocurrió con el célebre bosón de Higgs. En la década de 1960, no sólo Peter Higgs, sino un nutrido grupo de físicos, comenzaron a especular con la posibilidad de que las partículas fundamentales adquiriesen su masa mediante la interacción con un campo cuántico presente en todo el universo. Desde la formulación teórica del Higgs hasta el reciente anuncio de su detección en 2012 ha tenido que pasar casi medio siglo.

La Física de partículas tiene un grave problema. El ritmo de aparición de nuevas y extrañas partículas teóricas es muy superior a nuestra capacidad tecnológica para comprobar si realmente existen. Para detectar neutrinos necesitamos instalaciones cada vez más sofisticadas y costosas, como el Super Kamiokande en Japón o el Telescopio Ice Cube en la Antártida. Para atrapar el bosón de Higgs hemos tenido que diseñar la mayor máquina jamás creada por el hombre: un supercolisionador de hadrones con 27 kilómetros de circunferencia.

La caza de las siguientes partículas teóricas, asociadas a la Supersimetría, la Materia oscura o la Energía oscura, se plantea como el siguiente paso natural de la Física moderna. Desde EL ESPAÑOL hemos contactado con tres científicos españoles para conocer el mayor desafío al que se enfrenta la Física moderna: ¿Qué hacer con las nuevas, y cada vez más esquivas, partículas que quedan por descubrir? ¿Cómo podemos confirmar que existen?

Observatorio de neutrinos Superkamiokande.

Para Mario Herrero, miembro del Instituto de Física Teórica UAM/CSIC que en la actualidad prepara su tesis doctoral precisamente sobre gravedad cuántica, este problema es más serio de lo que parece no solo por la velocidad con la que se proponen nuevas partículas sino porque para detectar experimentalmente algunas de ellas necesitaríamos colisionadores que trabajasen a energías increíblemente superiores a las que podemos conseguir en el LHC.

Para visualizar mejor lo que significaría un posible artefacto de estas características, y salvo que se descubran nuevas tecnologías de detección, tendríamos que pensar que el anillo de colisiones bien podría tener el tamaño de la órbita de Urano…

Partículas supersimétricas

A la pregunta de qué viene después del Higgs el físico del IFT lo tiene claro: "Ahora vamos a por la Supersimetría". Según esta teoría, además de las partículas que ya conocemos, en el universo deberían existir otras partículas, una especie de compañeras supersimétricas, que aún no hemos detectado y que podrían ser observadas en el nuevo rango de energías con el que ha empezado a trabajar el LHC. Esto significaría tener un completo zoológico de partículas, con características diferentes a las habituales y entre las que se incluirían, por ejemplo, nuevos tipos de bosones de Higgs.

Partículas Supersimétricas

Enrique Fdez. Borja, doctor en Física Teórica y docente en el Departamento de Matemática Aplicada de la Universidad de Sevilla, reconoce que hay muchos científicos nerviosos. El LHC debería haber detectado ya partículas supersimétricas pero aún siguen escondiéndose, lo que lleva a los más optimistas a pensar que están en otro rango de energías, y a los más pesimistas a considerar que no existen.

La Historia de la Física nos ha enseñado que todo lo que puede suceder termina sucediendo. Sin embargo, siempre puede aparecer una excepción que derrumbe la teoría supersimétrica. En marzo el gran colisionador de hadrones del CERN volverá a ponerse en marcha y trabajará a energías más altas que nunca, que deberían ser suficientes para detectar estas partículas.

Si aun así no aparecen va a ser complicado justificar por qué no las hemos visto ya, y problemas como el de la baja masa del Higgs deberán empezar a explicarse con otras teorías diferentes (e incluso más fascinantes) como la posibilidad de dimensiones extras.

Materia oscura

Es una de las grandes cuestiones aún pendientes en la Física. Estamos ante un tipo extraño de materia que no aún hemos podido ver, puesto que no emite radiación electromagnética, pero que sí tiene importantes consecuencias gravitatorias en objetos masivos como galaxias o cúmulos de galaxias.

¿De qué está hecha? La respuesta sincera es que aún no lo sabemos, pero la hipótesis más extendida afirma que estaría compuesta de partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP, por sus siglas en inglés). Estas partículas no emiten luz ni tienen carga eléctrica pero, como su propio nombre nos indica, sí actuarían en la fuerza nuclear débil… es una interacción muy pequeña, pero medible al fin y al cabo.

En cierto modo las WIMP son muy similares a los neutrinos que propuso Pauli. Si existen, el universo entero debería estar repleto de ellas y literalmente billones de ellas atravesarían nuestro cuerpo cada segundo. Puesto que, al igual que los neutrinos, apenas interactuarían con la materia, serian extremadamente difíciles de detectar.

Francis Villatoro, físico, matemático y profesor en la UMA, nos explica que actualmente estamos explorando tres caminos que nos podrían conducir a detectar la presencia de estas partículas WIMP. El primero de ellos sería el método directo: una de estas partículas, procedente del espacio, chocaría como una bola de billar contra el núcleo de un átomo en alguno de los muchos detectores repartidos por el mundo.

La segunda técnica es indirecta. Dado que estas partículas WIMP son iguales que sus correspondientes antipartículas, podrían aniquilarse en ocasiones entre ellas en galaxias lejanas, lo que produciría fotones -es decir, luz-, y eso es algo que podríamos ver mediante telescopios espaciales.

Estos dos métodos requieren de paciencia y mucha suerte, por lo que en lugar de esperar a detectar una de esas colisiones, también existe una tercera opción: generar una partícula de materia oscura en el CERN. En el LHC chocan protones contra protones y estas colisiones pueden producir un bosón de Higgs de alta energía que podría desintegrarse en una pareja de partículas WIMP.

Son las tres vías que actualmente se están probando para detectar esta teórica partícula de la que estaría formada la materia oscura, algo que no es insignificante puesto que, recordemos, supone una gran parte de toda la materia que compone el universo.

La energía oscura y su particular camaleón

Todos hemos escuchado alguna vez que el universo se expande. Esta expresión es correcta pero incompleta, puesto que deberíamos decir que se expande de manera acelerada. La explicación a esa aceleración que resulta más coherente con nuestro actual modelo estándar es la denominada energía oscura.

Imagina que lanzas una pelota al aire y ésta no solo no desciende, sino que se eleva cada vez más rápido. Algo debe de estar empujándola y eso es precisamente lo que ocurre en nuestro universo, en donde se ha calculado que algo más del 70% del total de la energía/masa que existe corresponde a energía oscura. Ese enorme porcentaje representa un gran problema para los físicos que aún no saben qué partícula es la responsable de esa fuerza de aceleración del universo.

Infografía con la expansión acelerada del Universo desde el Big Bang

Se han propuesto numerosas teorías con la existencia de varios tipos de campos; unos los llaman campos camaleón, otros campos fantasmas, pero todos ellos estarían asociados a un tipo de partículas que se comportan de manera verdaderamente extraña. De hecho, una de sus denominaciones, camaleón, hace referencia a la capacidad de variar su fuerza y su masa en función de la materia que tengan cerca.

En palabras sencillas, los físicos que defienden esta teoría tratan de explicar la energía oscura como resultado de cierto tipo de partículas que generan una extraña interacción dependiendo de la cantidad de masa que les rodea. Para disgusto de los teóricos, este tipo de partículas camaleón ejercerían una interacción mayor cuando tienen poca materia cerca de ellas, por ejemplo en el espacio exterior… un comportamiento paradójico que hace que su detección sea muy difícil.

Además, y para empeorar las cosas, no se pueden detectar en el colisionador de Ginebra ya que la masa de esta hipotética partícula de energía oscura sería del orden de un billón de veces la energía de un protón, demasiado hasta para nuestro gran LHC.

Para intentar detectarlas deberíamos salir de la galaxia para realizar experimentos cosmológicos en zonas menos densas que nuestra Vía Láctea, algo que se antoja aún muy lejano.