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Lo que no sabemos en física
De pie en la escalera de incendios de su oficina en Ginebra, Suiza, el profesor asistente de física Steven Nahn, PhD '98, disfruta del aire de la tarde mientras enumera algunos de los mayores misterios del universo. La pregunta en la que está trabajando, dice, es tan simple que un niño podría formularla: ¿De dónde viene la masa?
Detective cósmico: La profesora Gabriella Sciolla ha construido un aparato para detectar la materia oscura.
Responderla requiere explicar por qué las partículas fundamentales que componen toda la materia del universo tienen masa. Así que Nahn y otros 30 investigadores y estudiantes del MIT están trabajando en experimentos para ejecutar en el Gran Colisionador de Hadrones, el nuevo acelerador de partículas con sede en la Organización Europea para la Investigación Nuclear. El LHC es un ejercicio de extremos: a temperaturas cercanas al cero absoluto, acelerará las partículas a las energías más altas jamás alcanzadas experimentalmente, sus miles de poderosos imanes guían a los protones a lo largo de una trayectoria circular de 27 kilómetros de circunferencia hasta que chocan. Está previsto que el instrumento esté en pleno funcionamiento a finales de este año, y Nahn calcula que pasará la mitad del año trabajando allí; sus estudiantes y otros investigadores pasan la mayor parte de su tiempo en el LHC. Cada uno quiere ser parte del equipo que investiga una de las preguntas más importantes de la física.
Lo encuentro irónico, reflexiona Nahn. Parece una pregunta muy simple, pero se necesita un enorme acelerador y miles de físicos trabajando en él para tratar de encontrar la respuesta correcta.
Muchas de las otras preguntas que impulsan a los físicos del MIT son igualmente básicas. Otro gran problema que los experimentos del LHC podrían resolver se refiere a la naturaleza de aproximadamente el 23 por ciento del universo, la llamada materia oscura, cuya existencia se infiere a partir de los efectos gravitacionales sobre los objetos visibles. Los físicos simplemente no saben qué es. ¿Dónde están todas las cosas? Nahn dice, medio en broma. Pensarías que lo sabríamos.
información adicional : 'Qué más no sabemos'
Ser físico es cuestionar lo que el resto de nosotros damos por sentado: que los objetos tienen masa, que el universo consiste en materia en lugar de antimateria, que la gravedad funciona.
Los físicos de todo el mundo ahora están trabajando para expandir y revisar la lista de partes del universo, lo que se conoce como el modelo estándar, una destilación compacta de aproximadamente 100 años de investigación, que intenta describir las partículas y fuerzas que explican todos los fenómenos físicos. El modelo estándar incluye 12 partículas fundamentales que constituyen la materia tal como la conocemos, más sus antipartículas iguales pero opuestas. Incluye las cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan las interacciones entre partículas: gravedad, electromagnetismo (que es responsable de la luz, el magnetismo y la electricidad) y las fuerzas fuerte y débil (que median las interacciones dentro de los núcleos atómicos). E incluye partículas que transportan las cuatro fuerzas, aunque la que transporta la gravedad sigue siendo hipotética.
Este marco une todo lo que los físicos de partículas saben que es cierto. Nos dice que los núcleos atómicos, que antes se pensaba que eran indivisibles, están formados por protones y neutrones; los protones y neutrones se pueden dividir en partículas llamadas quarks, que se mantienen unidos por la fuerza fuerte, cuyo portador es el gluón.
El profesor Frank Wilczek, que ganó el Premio Nobel de Física en 2004 por su trabajo sobre la fuerza fuerte, dice que el modelo estándar es una buena descripción funcional de cómo funciona el mundo. Pero no todo encaja tan bien como él y otros creen que debería. La falta de evidencia experimental para el portador de la gravedad, el gravitón, es una fuente de frustración, aunque los físicos del MIT han desempeñado un papel pionero en tratar de detectarlo y actualmente están mejorando la maquinaria que puede ser la primera en tener éxito (ver Catching Einstein's Waves, May / Junio de 1008). Y ese es solo uno de los principales cabos sueltos que los físicos del MIT están tratando de resolver.
Con ese fin, están construyendo detectores de materia oscura; buscando partículas fundamentales que complementen a las que conocemos; y esperando ansiosamente los resultados de las colisiones de partículas en el LHC, que por fin permitirán a los físicos probar décadas de trabajo teórico sobre estas crudas descripciones matemáticas de nuestro universo.
¿Por qué las cosas tienen masa?
Para Nahn, la pieza que falta más intrigante del rompecabezas es la masa. Si toma la teoría más básica, le diría que todas [las partículas] no tienen masa, dice. Ya sea que sea un laico o un físico armado con sofisticados detectores de partículas, esta perspectiva parece absurda. Los electrones, que constituyen una fracción insignificante de la masa en átomos individuales, tienen una masa de aproximadamente 0,0005 gigaelectronvoltios (GeV); la partícula fundamental más pesada, el quark top, tiene una masa de aproximadamente 175 GeV. De alguna manera, tienes que incorporar a la teoría una forma de generar esta diversidad de masa, dice Nahn. La forma más sencilla de hacer esto es postular otra partícula, que ha llegado a llamarse bosón de Higgs. Lo que los fotones son para un campo electromagnético, los bosones de Higgs son para el supuesto campo de Higgs, un medio que rodea todo en el universo e interactúa con las partículas elementales de una manera que les da masa.
Wilczek dice que sin el bosón de Higgs, somos como una raza de peces inteligentes que no saben que están sumergidos en el agua. Estos peces tendrían más posibilidades de comprender las leyes de su universo si se dieran cuenta de que el entorno que daban por sentado era un material que modificaba la forma en que se movían, dice Wilczek. Del mismo modo, si asumimos que lo que nos parece un espacio vacío es un medio ... tenemos ecuaciones más bonitas que de otro modo. Pero no sabemos cómo es [el bosón de Higgs], como si no hubiéramos visto moléculas de agua.
Los físicos admitirán fácilmente que para los no iniciados, invocar partículas hipotéticas y nunca vistas para resolver problemas con sus teorías puede parecer artificial o incluso, en palabras de Nahn, un poco loco. Pero este enfoque ha demostrado ser sólido antes. A finales del siglo XIX, Dmitri Mendeleev desarrolló la tabla periódica y predijo varios elementos químicos que se observaron posteriormente, incluidos el galio y el germanio. En 1931, Paul Dirac postuló la existencia de la antimateria para explicar una desconcertante consecuencia de una ecuación que había derivado para reconciliar nuestra comprensión de los electrones con la relatividad. Y Wilczek del MIT predijo el gluón, que se detectó directamente en 1979.
Dado que los bosones de Higgs son muy inestables, la única forma de observar uno es crearlo en una colisión de alta energía. Y ningún acelerador de partículas anterior era lo suficientemente potente como para producir un número detectable de bosones de Higgs, que se prevé que tengan una masa entre 114 GeV y 184 GeV. El LHC, sin embargo, aplastará los protones a energías siete veces más altas que las logradas por el acelerador más poderoso ahora en funcionamiento. Tenemos que encontrar esta partícula de Higgs, o algo parecido, en esta escala de energía, dice Nahn. Los físicos esperan encontrar el Higgs porque si no lo encuentran, se verán obligados a concluir que el problema de masas del modelo estándar tiene una solución más compleja. Pero para muchos de ellos, incluido Nahn, es lo suficientemente emocionante solo poder probar finalmente la teoría de Higgs de manera experimental. Está previsto que el nuevo colisionador, que se cerró para reparaciones poco después de su apertura en el otoño, vuelva a funcionar en la primavera de 2009; hasta entonces, Nahn y sus estudiantes están trabajando en un software que supervisará las operaciones de uno de los detectores del LHC y, finalmente, analizará los datos que genera (consulte La creación de un nuevo colisionador, mayo / junio de 2008).
¿Están unificadas las cuatro fuerzas?
Los teóricos como Wilczek también están intentando hacer que el modelo estándar en sí sea más matemáticamente hermoso y experimentalmente viable. Cada una de las cuatro fuerzas tiene su propio conjunto de ecuaciones de gobierno. Pero las ecuaciones están torcidas, dice Wilczek. Él y otros creen, sin embargo, que las fuerzas son como los cuatro lados de un dado matemático. Son discretos, pero también forman parte de un todo. Wilczek señala que, aunque las fuerzas generalmente tienen diferentes fuerzas, para partículas muy cercanas entre sí, tienen la misma fuerza. Esto sugiere que el impulso matemático de unir las fuerzas en un todo gobernado por una teoría de la gran unificación va por buen camino. El electromagnetismo y la fuerza débil encajan lo suficientemente bien matemáticamente que a menudo se les conoce como una fuerza, la electrodébil. Las ecuaciones para la fuerza fuerte son similares a las del electromagnetismo y la fuerza débil. El que es difícil de encajar, dice Wilczek, es la gravedad.
Puede parecer extraño que los físicos tengan tanta fe en las predicciones de las matemáticas. Sin embargo, dice Wilczek, no confío en mis propias opiniones a menos que la naturaleza nos anime un poco. Probablemente no sea accidental que las ecuaciones sean tan similares, observa. Las fuerzas no tenían que unirse, dice. Las ecuaciones no tenían que verse como caras diferentes del mismo dado.
Wilczek aún no ha tenido la satisfacción de ver la unificación confirmada experimentalmente: los físicos simplemente no han tenido los medios. Sin embargo, hay una forma de probar la teoría. Agregar otro lote de partículas al modelo estándar hace que las matemáticas para la unificación funcionen. Cada una de estas partículas supersimétricas teóricas interactuaría con otras partículas de la misma manera que lo hace una de las partículas conocidas, pero sería mucho más masiva. Wilczek espera que las colisiones de alta energía del LHC produzcan al menos una partícula supersimétrica. Los teóricos como él han estado trabajando en preguntas durante décadas sin poder probarlas; ahora, dice, los experimentalistas se están poniendo al día.
¿Qué es la materia oscura?
Gabriella Sciolla, profesora asociada de física en el MIT, espera validar la supersimetría a través de experimentos sobre materia oscura. Los físicos saben, al observar las interacciones gravitacionales de las galaxias y otros objetos celestes, que hay mucha más masa en el universo de la que pueden explicar al buscar los tipos identificados por el modelo estándar. Esta masa faltante se llama materia oscura porque no interactúa con los fotones. No se puede ver con telescopios ópticos o de rayos X. Por supuesto, estoy un poco sesgado, pero para mí, la pregunta abierta más interesante en física es: ¿Qué es la materia oscura? dice Sciolla. Una explicación simple es que se compone de una o más de las partículas supersimétricas.
En las entrañas del Edificio NW13, en una habitación de bloques de cemento sin ventanas que su grupo de investigación llama la mazmorra, Sciolla está probando un nuevo aparato llamado Cámara de Proyección del Tiempo de Materia Oscura, esencialmente un gran tanque de gas de acero inoxidable flanqueado por dos cámaras digitales. . El principio detrás del detector es simple. Cuando una partícula de materia oscura golpea un átomo de gas, el átomo retrocederá, golpeando electrones sueltos que serán detectados por las cámaras. Al rastrear los caminos de estos electrones, Sciolla podrá ver no solo que una partícula golpeó, sino desde qué dirección. Eso será importante para establecer que el detector realmente está viendo materia oscura, no otra cosa. Si, como creen muchos físicos, nuestra galaxia está girando a través de una región estacionaria de materia oscura, entonces la materia oscura debería golpear los átomos en el detector de Sciolla como la lluvia golpea el parabrisas de un automóvil en movimiento. La dirección de esta lluvia debería variar unos 90º cada 12 horas, porque el eje de rotación de la Tierra es de unos 45º con respecto a la materia oscura.
Sciolla y su grupo de investigación colocarán su detector en un laboratorio subterráneo para aislarlo de los rayos cósmicos, una fuente importante de ruido, y pasarán el 2009 recopilando datos preliminares para demostrar que el concepto funciona. En un año, Sciolla espera tener un detector de un metro cúbico que será 50 veces más sensible; En cinco años, espera tener un detector de unos pocos cientos de metros cúbicos.
Encontrar partículas de materia oscura sería el equivalente físico a ganar el premio gordo. Todas estas grandes preguntas en física están conectadas de alguna manera, dice Sciolla. La materia oscura es la única respuesta que satisfaría tantas preguntas diferentes sin respuesta en diferentes campos de la física. Detectarlo proporcionaría una fuerte evidencia de supersimetría.
Si la materia oscura resulta no consistir en partículas supersimétricas sino en axiones, partículas hipotéticas que Wilczek hizo un trabajo importante para describir, ese hallazgo podría llevar a otra gran pregunta. Los axiones ocupan un lugar destacado en una teoría esotérica que explica por qué la materia, a diferencia de la antimateria, prevalece en el universo, a pesar de que el Big Bang produjo todas las partículas y sus antipartículas en igual número.
¿Qué es la energía oscura?
Incluso si se detecta materia oscura y se revela su naturaleza, otro fenómeno curioso que los físicos han llamado energía oscura plantea muchas otras preguntas. Las galaxias están siendo separadas por una fuerza repulsiva, explica Edmund Bertschinger, jefe del departamento de física. Las mediciones de la última década nos dicen que algo muy parecido a la repulsión gravitacional se ha apoderado del universo. Es decir, el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado, pero los físicos no saben por qué. ¿Es por la energía oscura? ¿O es la energía oscura solo un concepto que está solucionando un malentendido de las leyes de la física?
A pesar de la similitud en sus nombres, la energía oscura probablemente no tenga ninguna relación con la materia oscura, y es un misterio mucho mayor. Hay explicaciones plausibles de la materia oscura, dice Bertschinger. No tenemos modelos plausibles de energía oscura que tengan sentido en el contexto de la física de altas energías. El trabajo realizado por Bertschinger y muchos otros ha demostrado que será muy difícil desarrollar pruebas para distinguir entre la energía oscura y una forma modificada de gravedad. Sin embargo, Bertschinger está haciendo un trabajo teórico que espera que conduzca a tales pruebas durante la próxima década.
Este es un gran momento para la física, dice Sciolla. Todo tendrá respuesta en los próximos años, esperamos. ¿Y entonces que? Bueno, entonces ella y sus colegas podrían quedarse sin trabajo, bromea Sciolla. Pero, agrega, estoy segura de que habrá muchas preguntas nuevas que quedarán sin respuesta.