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Física de partículas. La carrera para romper con el Modelo Estándar. Parte 01

Posted by keithcoors_00 en 9 octubre, 2008

El Large Hadron Collider es el intento más reciente de la física fundamental para avanzar más allá del frustrante éxito del ‘modelo estándar’. Pero no es la única manera de hacerlo. Geoff Brumfiel pasa revista a los contendientes que intentan llevarse el premio antes de que el LHC agarre velocidad.

Es poderoso, es mortificante y está condenado. El increíble éxito de la máquina matemática que los físicos llaman el ‘modelo estándar’ es un conjunto de ecuaciones que describe cada forma conocida de la materia, a partir de átomos individuales hasta las más lejanas galaxias. En él se describen tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: las fuertes, débiles y electromagnéticas. Se predice el resultado de un experimento tras otro con precisión sin precedentes. Y, sin embargo, tan poderoso como es, el modelo estándar está lejos de ser perfecto. Su estructura matemática es arbitraria. Está llena de constantes numéricas que parecen igualmente hechas a la medida. Y tal vez lo más preocupante, que ha resistido todos los intentos para incorporar la última fuerza fundamental: la gravedad.

Por lo tanto, los físicos han estado tratando de obtener modelos más allá del modelo estándar desde que se elaboró en la década de 1970. En efecto, tendrán que romper el modelo con datos experimentales que contradigan su casi perfectas ecuaciones. Y luego, a partir de sus fragmentos, deben construir una nueva, y mejor teoría. El LHC, un gigantesco acelerador de partículas en el CERN, en Europa, cerca de Ginebra, Suiza, es el último intento por romper el modelo estándar – y uno que muchos ven como todo menos un éxito asegurado. La prodigiosa energía que se generará, forzará a las partículas hacia reinos donde el modelo estándar no puede llegar. En la carrera para ir más allá del statu quo, “el LHC es, por mucho, el favorito”, dice Frank Wilczek, uno teórico en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge, que ganó el Premio Nobel de Física en 2004 por su trabajo que sustenta el modelo estándar.

Sin embargo, el LHC no es el único juego en la ciudad. Durante décadas, los físicos han tratado de llegar más allá del modelo estándar mediante todo tipo de formas, a veces con aceleradores, a veces con mediciones precisas de acontecimientos asombrosamente raros, a veces a través de la observación del espacio exterior. Y en el tiempo que tardará el LHC para conseguir la velocidad tope – sus primeros resultados no se espera por lo menos hasta el próximo verano (véase “El imparable Colisionador‘) – algunos de los grupos experimentales piensan que tienen una oportunidad de llevarse el primer premio. Su tarea será difícil: el modelo estándar es una formidable pieza de trabajo que ha resistido a todos los ataques fáciles y evidentes. Para quebrarlo, los experimentos necesitan una sensibilidad sin precedentes, una multitud de datos, y más que un poco de suerte. He aquí un resumen de los pocos pero heroicos intentos que se sienten a la altura.

Tevatron

Si bien el LHC tendrá su protones con la velocidad máxima que la tecnología pueda proporcionar, el otro pesos pesado de los aceleradores de partículas está en la carrera para romper el modelo estándar en primer lugar. Desde 2001, el Tevatrón, ubicado en el Fermilab en Batavia, Illinois, ha estado acelerando protones y antiprotones en una energía de alrededor de 1 TeV.

Eso es sólo una séptima parte del máximo de la energía del LHC, pero la energía total no lo es todo en la búsqueda por una nueva física. Las colisiones que generarían nuevas partículas fuera del modelo estándar son extremadamente raras, lo que significa que cuanto más tiempo se produzcan en un acelerador y el más datos se acumulen, mejor será la posibilidad de encontrar algo. Así que por un tiempo, al menos, el Tevatrón seguirá teniendo un liderazgo en bases de datos por encima del LHC. Incluso en el verano de 2009, el Tevatrón tendrá varias veces más datos totales que su nuevo competidor.

Y esos datos ya están mostrando algunas tentadoras, si bien provisionales, pistas de algo más allá del modelo estándar. Una desviación en las mediciones proviene de una partícula conocida como el mesón extraño B (Bs).

El Bs está hecho de un Quark extraño y un anti-Quark fondo, y es uno de los más pesados entre todos los mesones. En virtud de una norma conocida como simetría de carga-paridad, el modelo estándar predice que el Bs decaerá de la misma manera que su antipartícula (hecha de un anti-Quark extraño y un Quark fondo). Sin embargo, las mediciones de ambos insinúan una diferencia en sus decaimientos. Según Dmitri Denisov, un portavoz del experimento D-Cero en el Tevatrón, esa diferencia podría ser una pista importante en la búsqueda de descubrimientos. Tal vez la señal de la existencia de nuevas partículas exóticas, o de principios anteriormente desconocidos. En cualquier caso, dice Denisov, “es una medida interesante”.

La anomalía Bs no es la única rareza que se muestra en el acelerador, añade Robert Roser, un portavoz del otro gran experimento del Tevatrón, el detector de colisiones en el Fermilab, o FCD. Una característica inusual en los decaimientos de los pares de Quarks tope y anti-tope le ha intrigado. Una vez más, admite, aun está lejos de ser cierto. Sin embargo, algunas de estas señales pueden ser importante, dice Roser. “A medida que se añaden los datos, una de [estas anomalías] puede llegar a ser real”.

Quizá de forma no tan sorprendente, una opinión más escéptica proviene de John Ellis, un teórico en el CERN. Sí, el Tevatrón podría proporcionar algunas pistas tentadoras, dice Ellis, pero es poco probable que haya un hallazgo definitivo antes de que el LHC llegue a operación completa. En el mundo de la física de partículas, señala, no se constituye un descubrimiento hasta que se mide a cinco σ (cinco desviaciones estándar a partir de la media), el equivalente de 99.99994267% de precisión. Se requerirán mucho más datos que los que el Tevatrón ha acumulado hasta el momento, para alcanzar ese exigente estándar, y es poco probable que el detector logre las grandes ganancias antes de que sea superado por su nuevo rival. “Creo que va a ser muy, muy difícil para el Tevatrón”, dice Ellis. “Yo simplemente no los veo obteniendo el resultado antes de que el LHC comience la cacería”.

Ilustraciones de J. Riordan

Continuará…

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