La física cuántica no está para cumpleaños

Los físicos están celebrando estos días los 50 años del Modelo Estándar de la física de partículas, aunque nadie puede determinar exactamente cuando nació. Los esfuerzos se centran ahora en trascender sus limitaciones en lo que se ha llamado Nueva Física, un dinámico campo de investigación del que también será difícil establecer su fecha de nacimiento, si algún día se convierte en un cuerpo de conocimiento.

El Modelo Estándar es una de las mayores hazañas de la ciencia. Es una teoría que describe con precisión cómo interactúan las partículas subatómicas y las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Sin embargo, también tiene sus limitaciones. Por ejemplo, no explica la gravedad, la materia oscura, la energía oscura ni el origen del universo. Por eso, muchos físicos buscan ir más allá del Modelo Estándar y descubrir nuevas teorías que lo amplíen o lo reemplacen. Hablan de una Nueva Física que estaría en puertas.

En un artículo publicado en New Scientist, seis físicos, Jon Butterworth , Alex Keshavarzi , Clare Burrage , Surjeet Rajendran , Emily Adlam y Matt Strassler, exploran ahora seis posibles formas de que lleguemos a alumbrar esa pretendida Nueva Física.

Colisionadores de partículas

Los colisionadores de partículas constituyen uno de los caminos abiertos a este futuro: son máquinas gigantes que aceleran y chocan partículas a altas energías, creando nuevas partículas y fenómenos.

El más famoso es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Suiza, donde se descubrió el bosón de Higgs en 2012. El LHC está planeando aumentar su luminosidad (la cantidad de colisiones por segundo) en los próximos años, lo que podría revelar nuevas partículas o desviaciones del Modelo Estándar.

También hay otros proyectos en marcha o en estudio, como el Colisionador Lineal Internacional (ILC) en Japón, el Colisionador Circular Futuro (FCC) en Europa o el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (GCEP) en China, que también prometen novedades disruptivas en este campo.

Experimentos de precisión

Una segunda puerta a ese futuro son experimentos que miden con gran exactitud algunas propiedades de las partículas o las fuerzas, buscando discrepancias con las predicciones del Modelo Estándar.

Algunos ejemplos son los experimentos que miden el momento magnético anómalo del muón (una partícula similar al electrón, pero más pesada), la violación de la simetría CP (la diferencia entre materia y antimateria) o la constante de estructura fina (un número que determina la fuerza de la interacción electromagnética).

Observatorios astronómicos

La tercera vía abierta a la evolución del Modelo Estándar son los instrumentos que observan el cielo en diferentes longitudes de onda, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma, pasando por la luz visible, los infrarrojos, los rayos X y los rayos cósmicos.

Estos observatorios pueden detectar fenómenos cósmicos que nos dan pistas sobre la naturaleza de la materia oscura, la energía oscura o la inflación cósmica (el período de expansión acelerada del universo justo después del Big Bang). Todo esto puede desbordar al Modelo Estándar.

Algunos ejemplos de estos observatorios prometedores son el Telescopio Espacial James Webb (JWST), que apenas ha empezado a proporcionar información, ya que fue lanzado en diciembre de 2021, o el Telescopio de Gran Sinóptico (LSST) en Chile, integrado en el Observatorio Vera C. Rubin, que entrará en funcionamiento próximamente. LSST será capaz de fotografiar la totalidad del cielo visible cada pocas noches, lo que permitirá estudiar fenómenos como la materia oscura, la energía oscura, los asteroides cercanos a la Tierra o las ondas gravitacionales.

Detectores subterráneos

Los experimentos que se realizan bajo tierra, donde se reduce el ruido de fondo causado por las partículas procedentes del espacio o de la superficie terrestre, también pueden revelar sorpresas respecto a las limitaciones del Modelo Estándar, según estos científicos.

Estos detectores pueden buscar señales de fenómenos exóticos como la materia oscura, los neutrinos (partículas sin carga eléctrica y muy poco masivas que apenas interactúan con la materia ordinaria) o la desintegración del protón (un proceso que violaría la conservación del número bariónico y que implicaría una vida finita para la materia).

Interferómetros gravitacionales

Los experimentos que miden las ondas gravitacionales, que son perturbaciones del espacio-tiempo causadas por objetos masivos acelerados, son otros de los candidatos a trascender lo que describe el Modelo Estándar.

Las ondas gravitacionales fueron predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein y detectadas por primera vez en 2015 por los observatorios LIGO y VIRGO.

Estas ondas nos permiten estudiar fenómenos extremos como los agujeros negros, las estrellas de neutrones o las fusiones de galaxias. También podrían revelar aspectos de la gravedad cuántica, una teoría que unificaría la relatividad general y la mecánica cuántica, que no figura en el Modelo Estándar.

Computación cuántica

Por último, la tecnología que utiliza los principios de la mecánica cuántica para realizar operaciones con bits cuánticos, que pueden estar en superposición de dos estados (0 y 1) al mismo tiempo, puede estar a punto de romper el Modelo Estándar.

La computación cuántica podría resolver problemas que son intratables para los ordenadores clásicos, como la factorización de números grandes o la simulación de sistemas complejos.

También podría ayudar a probar o descartar algunas teorías físicas, como la supersimetría (una simetría que relaciona los fermiones y los bosones) o la gravedad holográfica (una correspondencia entre una teoría gravitatoria en un espacio-tiempo y una teoría de campos en un espacio-tiempo de menor dimensión), lo que obligaría a replantearse el Modelo Estándar.

Solo posibilidades

Estas son solo algunas de las posibles vías para explorar el mundo más allá del Modelo Estándar, explican los autores de este artículo. Sin embargo, no hay garantía de que encontremos esa Nueva Física pronto, ni de que sea lo que esperamos.

Lo único seguro es que el Modelo Estándar seguirá siendo una referencia fundamental para la física, y que su aniversario merece ser celebrado, como afirma el físico Glenn Starkman en este interesante artículo de 2018, conmemorativo también del medio siglo del Modelo Estándar.

Sin embargo, no es la primera vez que se habla del 50 aniversario del Modelo Estándar, ya que no existe una fecha oficial de cuándo se inició.

¿Qué aniversario?

Steven Weinberg (1933-2021) ya publicó también hace cinco años un artículo emblemático en Physical Review Letters que recogía un ensayo sobre los primeros cincuenta años del Modelo Estándar.

A Weinberg, Premio Nobel de Física en 1979, junto con Abdus Salam y Sheldon Lee Glashow, se le atribuye haber hablado de la nueva teoría emergente en la física en 1973, es decir, hace ahora 50 años.

Por este motivo, se vuelve a hablar ahora, una vez más, del medio siglo del Modelo Estándar, supuesto preludio de la Nueva Física. Pero en realidad, su partida de nacimiento sigue siendo dudosa.

¿Qué significa Nueva Física?

La Nueva Física es el nombre que se da a las teorías y experimentos que buscan ir más allá del Modelo Estándar porque presenta algunos problemas teóricos, como la jerarquía entre la masa del bosón de Higgs y la escala de Planck (la escala donde se espera que aparezca la gravedad cuántica).

La Nueva Física trata de resolver estos enigmas mediante nuevas hipótesis, como la supersimetría, la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica o la dimensión extra. Estas hipótesis predicen la existencia de nuevas partículas o fenómenos que no se han observado todavía y que, por lo tanto, no figuran en el Modelo Estándar.

Algunos de los experimentos descritos en este artículo tienden a comprobar estas predicciones: han obtenido algunos resultados que podrían indicar una desviación del Modelo Estándar y una evidencia de Nueva Física. 

Cumpleaños difícil

Lo más curioso de todo es que a la Nueva Física le está pasando algo parecido de lo que le pasó al Modelo Estándar: incluso antes de nacer formalmente, se ha convertido también en un campo muy activo y fascinante de investigación.

Seguramente resultará difícil asimismo determinar en qué momento vino al mundo la Nueva Física, si alguna vez se constituye como cuerpo de conocimiento. La ambigüedad e indeterminación del mundo cuántico parecen afectar también al momento del nacimiento de las teorías que pretenden describirlo. La física cuántica no está para cumpleaños.