12/11/2009
En medio de gran pompa y ceremonia, y algún que otro rumor de que el fin del mundo estaba cerca, el Large Hadron Collider (LHC), el acelerador de partículas más poderoso del mundo, se puso en marcha en septiembre del año pasado. Nueve días más tarde un cortocircuito y una pérdida catastrófica de helio líquido ignominiosamente apagó la máquina. 
Cualquier día, si todo va según lo previsto, los haces de protones empezarán a correr dando la vuelta al anillo muy por debajo del CERN, el hogar del LHC, en las afueras de Ginebra, Suiza.El laureado Nobel Steven Weinberg está preocupado. No es que piense que el LHC vaya a crear un agujero negro que se trague el planeta, o incluso que dicho reinicio pueda terminar en otro fracaso técnico, como el año pasado. No, lo que realmente le preocupa del LHC es que encuentre lo que algunos llaman la "partícula de Dios", un sobrenombre vergonzosamente grandioso para el bosón de Higgs, que hasta ahora no ha sido detectado.
"Estoy aterrorizado," dice. "Descubrir el bosón de Higgs, eso sí que sería realmente una crisis".
¿Por qué? La evidencia del bosón de Higgs sería la culminación de un edificio que los físicos de partículas han estado construyendo durante medio siglo, la exitosa y fenomenal teoría conocida simplemente como el modelo estándar. En él se describen todas las partículas conocidas, así como tres de las cuatro fuerzas que actúan sobre ellos: el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte.
Esto también está manifiestamente incompleto. Sabemos, y la teoría no lo explica, que esto debe ser sólo una parte de algo mucho más grande. Así que si el LHC encuentra el bosón de Higgs y nada más que el bosón de Higgs, el modelo estándar estará bien atado. Pero la física de partículas se quedará en una vía muerta, sin pistas hacia dónde dirigirse.
Hasta ahí los temores de Weinberg. Sin embargo, si los teóricos están en lo correcto, antes de que se encuentra el bosón de Higgs, el LHC podrá ver el primer esbozo de algo mucho mayor: una grandiosa teoría global conocida como la supersimetría. SUSY, como es cariñosamente llamada, es una audaz teoría que duplica el número de partículas necesarias para explicar el mundo. Y podría ser justo lo que los físicos de partículas necesitan para encaminarlos hacia una fresca iluminación.
Entonces ¿qué hay de malo en el modelo estándar? En primer lugar, hay algunos pecados de omisión evidentes. No tiene nada que decir acerca de la cuarta fuerza fundamental de la naturaleza, la gravedad, y tampoco se pronuncia sobre la naturaleza de la materia oscura. La materia oscura no es un asunto trivial: si nuestra interpretación de ciertas observaciones astronómicas es correcta, dicha materia pesa más que la materia convencional en el cosmos, en una relación de más de 4 a 1.Irónicamente, el verdadero problema comienza con el bosón de Higgs. Éste surgió para resolver un problema verdaderamente grande: el hecho de que los bloques de construcción básicos de la materia ordinaria (como los electrones y los quarks, conocidos colectivamente como fermiones) y las partículas que transportan las fuerzas (llamadas colectivamente bosones), todas tienen una propiedad llamada masa. Las teorías se tambalean sin las masas de las partículas y nada se podía predecir sin ello, tuvieron que ser medidas en los experimentos y fueron añadidas a mano en la teoría.
Estos "parámetros libres" eran embarazosos hilos sueltos en las teorías, que se iban entrelazando para formar lo que eventualmente se convirtió en el modelo estándar. En 1964, Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, Reino Unido, y François Englert y Robert Brout, de la Universidad Libre de Bruselas (ULB) en Bélgica, de forma independiente dieron con la forma de atar estos cabos.
Este mecanismo era un campo cuántico invisible que impregna todo el cosmos. Más tarde se llamaría el campo de Higgs, que imparte la masa de todas las partículas. La masa que adquiere una partícula elemental, como un electrón o un quark, depende de la fuerza de sus interacciones con el campo de Higgs, cuyo "cuanto [quantum]" son los bosones de Higgs.
Campos como éste son fundamentales para el modelo estándar, que describe cómo la fuerza electromagnética y la fuerzas nucleares débil y fuerte actúan sobre las partículas a través del intercambio de diversos bosones, las partículas W y Z, gluones y fotones. Pero la teoría de Higgs, aunque elegante, viene con una desagradable picadura: ¿Cuál es la masa del del bosón de Higgs? Debería consistir en una masa núclear, más la contribución de sus interacciones con todas las demás partículas elementales. Si totalizas todas esas contribuciones, la masa global de Higgs queda fuera de control.
Las pistas experimentales que ya tenemos, indican que la masa de Higgs debería estar en algún lugar entre 114 y 180 gigaelectronvoltios, entre 120 y 190 veces la masa de un protón o un neutrón, y es el tipo de energía que el LHC puede alcanzar fácilmente. La teoría, sin embargo, viene con valores mayores de 17 o 18 órdenes de magnitud, una discrepancia catastrófica denominada "el problema de jerarquía". La única manera de deshacerse de este problema en el modelo estándar es ajustar ciertos parámetros con una precisión de 1/1034 partes, algo que los físicos encontran antinatural y abominable.
Tres en uno El problema de la jerarquía no es el único defecto del modelo estándar. También existe el problema de cómo reunir todas las fuerzas. En el universo que hoy se concibe, las tres fuerzas tratadas por el modelo estándar tienen muy diferentes fuerzas y rangos. A un nivel subatómico, la fuerza fuerte es la más poderosa, la débil es la más débil y la fuerza electromagnética está en un punto intermedio.
Hacia el final de la década de 1960, Weinberg, entonces en la Universidad de Harvard, demostró junto con Abdus Salam y Sheldon Glashow, que este no siempre había sido el caso. En el tipo de altas energías que prevalecieron en el universo temprano, las fuerzas débil y electromagnética eran igual de poderosas, en realidad, conformaban una misma fuerza. La expectativa era que si se extrapolaba lo suficiente hacia el Big Bang, la fuerza fuerte también sucumbiría, y estaría unificada con las fuerzas electromagnética y débil en una sola super-fuerza.
En 1974, Weinberg y sus colegas Helen Quinn y Howard Georgi mostraron que el modelo estándar podría hacer que eso sucediera, pero sólo aproximadamente. Aclamada inicialmente como un gran éxito, esta reunificación no-tan-exacta, pronto comenzó a cometer errores de física al trabajar sobre la "gran teoría unificada" de las interacciones de la naturaleza.
Fue en ese momento que la supersimetría hizo su aparición, debutando en el trabajo de los físicos soviéticos Yuri Golfand y Evgeny Likhtman. Se dejaba que Julius Wess, de la Universidad de Karlsruhe en Alemania y Bruno Zumino, de la Universidad de California, Berkeley, que llevaran sus prescripciones radicales con una atención más amplia a unos años más tarde.
Wess y Zumino estaban tratando de aplicar el principio de simplificación favorito de los físicos, la simetría, al zoológico de partículas subatómicas. Su objetivo era mostrar que, la división del dominio de las partículas en fermiones y bosones, es el resultado de una simetría perdida que existió en el universo temprano.
De acuerdo con la supersimetría, cada fermión se empareja con un gran bosón supersimétrico, y cada bosón con un fermión super-hermano. Por ejemplo, el electrón tiene un selectrón (un bosón) como socio supersimétrico, mientras que el fotón se empareja con un fotino (un fermión). En esencia, las partículas que conocemos ahora no son más que un poquito de algo que lo duplica en tamaño.
La clave de esta teoría es que en la sopa de alta energía de los inicios del universo, las partículas y sus super-socios eran indistinguibles. Cada par ha co-existido como entidades individuales sin masa. A medida que el Universo se expandía se iba enfriando, no obstante, esta supersimetría se rompió. Los socios y los super-socios siguieron su propio camino, convirtiéndose en partículas individuales con una masa distintiva propia.
La supersimetría era una idea audaz, pero aparentemente poco recomendada a no ser que se apelara al fetiche de la simetría. Es decir, hasta que la aplicaran al problema de la jerarquía. Resultó que la supersimetría podría domesticar todas las contribuciones molestas de las interacciones del bosón de Higgs con las partículas elementales, lo que causa su masa y lo deja fuera de control. Eran simplemente anuladas por las contribuciones de sus parejas supersimétricas. "La supersimetría conseguía dicha cancelación de forma muy natural", comentaba Nathan Seiberg de la Universidad de Princeton.
Pero eso no fue todo. En 1981, Georgi, junto con Savas Dimopoulos de la Universidad de Stanford, rehizo los cálculos de esta forzada reunificación que habían hecho con Weinberg y Quinn, pero con el añadido de la supersimetría. Descubrieron que las curvas que representan las tres fuerzas podía hacer que se reunieran con asombrosa precisión en el universo temprano. "Si usted tiene dos curvas, no es de extrañar que se crucen en algún lugar", decía Weinberg. "Pero si tiene tres curvas que se cruzan en el mismo punto, lo que sigue ya no es tan trivial".
Este segundo golpe de la supersimetría fue suficiente para convertir a muchos físicos en los verdaderos creyentes. Fue cuando se empezaron a estudiar algunas de las cuestiones planteadas por la nueva teoría, y las cosas se volvieron realmente interesantes.
Una de las cuestiones apremiantes concernían al actual paradero de las partículas supersimétricas. Los electrones, fotones y similares están a nuestro alrededor, pero de los selectrones y los fotinos no hay señal alguna, ya sea en la naturaleza o en cualquiera de los experimentos con los aceleradores de alta energía. Si existen tales partículas, deben ser extremadamente masivas, requieriendo enormes cantidades de energía para fabricarse.
Estas grandes partículas podrían haberse deteriorado con el tiempo y quedar un residuo de las más ligeras y estables partículas supersimétricas, los denominados neutralinos. Aunque masivo, el neutralino no tiene carga eléctrica e interactúa con la materia normal muy tímidamente, por medio de la fuerza nuclear débil. No sorprende entonces que hayan eludido su detección hasta la fecha.
Cuando los físicos calcularon exactamente la cantidad que debería haber de residuos neutralinos, se quedaron desconcertados. Era una inmensa cantidad, mucho más que toda la materia ordinaria del universo.
¿Comienza esto a sonar familiar? Sí, en efecto: parece que los neutralinos cumplían todos los requisitos de la materia oscura, esa que las observaciones astronómicas nos persuade que debe dominar el cosmos. El tercer tanto de la supersimetría.
Para cada una de las tres cuestiones que la supersimetría se propuso resolver (el problema de la jerarquía, el de la reunificación y el de la materia oscura) tenía su propia respuesta. Pero los físicos siempre se inclinan a favor de una teoría de propósito universal, si es que hay alguna. "Es reconfortante saber que hay una idea que resuelve estas tres cosas de forma lógica e independiente", señala Seiberg.El alcance de la supersimetría no termina ahí. Como Seiberg y su colega Edward Witten de Princeton han demostrado, la teoría puede explicar también por qué los quarks nunca se ven por sí mismos, sino que siempre están acorralados por la fuerza fuerte dentro de partículas más grandes, como los protones y neutrones. En el modelo estándar, no hay indicios de matemáticas como debería ser; con la supersimetría, se dejan fuera las ecuaciones de forma natural. Del mismo modo, las matemáticas derivadas de la supersimetría se puede contar de cuántas maneras se puede doblar una superficie de cuatro dimensiones, un problema que es intratable en la topología.
Todo esto parece apuntar a una verdad fundamental dentro de esta teoría. "Cuando tienes algo cuyas aplicaciones van más allá de lo que fue diseñada, podemos decir, 'Bueno, esto parece profundo", comenta Seiberg. "La belleza de la supersimetría es realmente abrumadora".
Lamentablemente, ni la belleza matemática, ni tampoco el compromiso son suficientes por sí solos. Necesitamos también pruebas experimentales. "Es vergonzoso", espeta Michael Dine, de la Universidad de California, Santa Cruz. "Se están celebrando cosas sobre un montón de papel gastado".
Los pruebas circunstanciales de la supersimetría pueden encontrarse en los diversos experimentos diseñados para hallar las caracterísitcas de la materia oscura en los rayos cósmicos que pasan por la Tierra. Estos incluyen el experimento de Cryogenic Dark Matter Search en el interior de una mina Soudan al norte de Minnesota y el experimento Xenon al pie de la montaña Gran Sasso en Italia central. Las sondas espaciales como el satélite Fermi de la NASA, que también recorren la Vía Láctea, a la espera que se produzcan señales de cuando dos neutralinos se encuentren y se aniquilen.
La mejor prueba llegaría, si pudiéramos producir neutralinos directamente a través de las colisiones de un acelerador. El problema es que no estamos totalmente seguros de la potencia de aceleración que sería necesaria. La masa de las super-parejas depende precisamente cuándo se rompió la supersimetría, el universo se enfrió y las partículas estándar y sus super-parejas se separaron. Varias versiones de esta teoría no han podido construir un calendario coherente. Algunas variantes sugieren incluso que algunas super-parejas son bastante ligeros y que ya han aparecido en los aceleradores, como el Large Electron-Positron Collider, predecesor del LHC en el CERN, o el colisionador Tevatron en Batavia, Illinois. Sin embargo, ni un acelerador ni otro han encontrado nada.
Sin embargo, la razón de que los físicos estén tan entusiasmados con el LHC, es que el tipo de supersimetría que mejor resuelve el problema de jerarquía se hará visible con las altas energías que el LHC pueda explorar. Del mismo modo, si los neutralinos tienen la masa correcta para crear la materia oscura, se podrían producir en grandes cantidades en el LHC.
Desde el accidente del último año con la puesta a punto del acelerador, el CERN ha adoptado un enfoque cauteloso al reiniciar el LHC. Durante el primer año va a chocar dos haces de protones, con una energía total de 7 teraelectronvoltios (TeV), la mitad de su energía. Incluso así, está por encima del récord anterior del Tevatron, situado en los 1,96 TeV. "Si las más pesadas partículas supersimétricas pesan menos de un teraelectronvoltio, entonces se podría producir bastante copiosamente en las primeras etapas del funcionamiento del LHC", según John Ellis, teórico del CERN.
Si esto es así, los acontecimientos después de que el acelerador se disparara de nuevo podría tomar un giro paradójico. "Los protones que se rompen en el LHC, son partículas complejas compuestas de quarks y gluones, y producen desechos muy desordenados. Podría llevar bastante tiempo encontrar el bosón de Higgs de entre tales escombros", comenta Ellis.Las partículas supersimétricas, por otro lado, se desintegran en tan solo 10-16 segundos, en una serie de partículas secundarias, culminando en una cascada de neutralinos. Debido a que los neutralinos apenas interactúan con otras partículas, se evaden de los detectores del LHC. Paradójicamente, esto hace que sea relativamente fácil de encontrarnos que la energía y el moméntum que llevan parezca que se ha perdido. "Esto, en principio, es algo muy distintivo", añade Ellis.
Así que si la evidencia de la supersimetría existe en la forma que esperan los teóricos, podrían ser descubierta mucho antes que la partícula de Higgs, cuyos problemas SUSY pretende resolver. Cualquier observación de algo que parezca un neutralino sería una noticia muy, muy grande. Por lo menos sería el mejor avistamiento de una partícula de materia oscura. Aún mejor, nos diría que la naturaleza es fundamentalmente supersimétrica.
Hay un sentimiento palpable de excitante entusiasmo por lo que el LHC podría encontrar en los próximos años. "Y estaré encantado si es la supersimetría", dice Seiberg. "Pero también si es cualquier otra cosa. Necesitamos más pistas de la naturaleza. Esperemos que el LHC nos dé estas pistas".
- Adaptado de NewScientist.com, de 11/11/09 por Anil Ananthaswamy
- La imagen 'Compact Muon Solenoid', muestra la desintegración de un neutralino en una partícula Z y en una partícula supersimétrica más ligera (LSP). La partícula Z se descompone en dos muones. Esto fue un experimento del Compact Muon Solenoid (CMS) en el CERN (imagen: María Spiropulu; Stephan Wynhoff)
- Las otras imágenes de Wikipedia..
