¡°Hacer f¨ªsica hoy es como bajar al r¨ªo y voltear todas las piedras para ver qu¨¦ aparece¡±

El modelo est¨¢ndar de la f¨ªsica es una maravilla de la ciencia moderna. Con 17 part¨ªculas elementales, describe la composici¨®n y el comportamiento del universo con una fiabilidad demostrada en los grandes experimentos de f¨ªsica de las ¨²ltimas d¨¦cadas. Sin embargo, es un marco te¨®rico incompleto: no incluye la fuerza de gravedad descrita por Einstein, no explica la composici¨®n de la materia oscura detectada por los cosm¨®logos y no predijo que los neutrinos ¡ªpart¨ªculas sumamente ligeras pero no incorp¨®reas¡ª tuvieran masa.

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El cient¨ªfico del Laboratorio Europeo de F¨ªsica de Part¨ªculas (CERN) Marzio Nessi (1957, Muralto, Suiza), que viene a Madrid para participar en el IV Ciclo de Conferencias organizadas por CERN y la Fundaci¨®n BBVA, lleva a?os desentra?ando los misterios del modelo est¨¢ndar. Entre 2000 y 2013 fue director del experimento Atlas, el detector de part¨ªculas que encontr¨® el bos¨®n de Higgs entre los escombros de impactos entre protones llevados a cabo por el Gran Colisionador de Hadrones. Ahora, Nessi dirige la Plataforma de Neutrinos de CERN, que juega un papel fundamental en la investigaci¨®n de los neutrinos a nivel mundial gracias a la construcci¨®n de protoDUNE, dos detectores de part¨ªculas de mil toneladas cada uno. Estos instrumentos son prototipos en miniatura de cuatro detectores de neutrinos que se construir¨¢n en EE UU para encontrar f¨ªsica m¨¢s all¨¢ del modelo est¨¢ndar y explicar misterios como la asimetr¨ªa entre la materia y la antimateria del universo.

Pregunta. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se construy¨® para encontrar la ¨²ltima pieza del modelo est¨¢ndar de la f¨ªsica de part¨ªculas, el bos¨®n de Higgs. Ahora lleva a?os buscando f¨ªsica m¨¢s all¨¢ del modelo est¨¢ndar, pero no ha encontrado nada. ?Es hora de considerar enfoques nuevos y radicales en la experimentaci¨®n de f¨ªsica de part¨ªculas?

Respuesta. En realidad el LHC se construy¨® para encontrar nueva f¨ªsica. Completar el modelo est¨¢ndar [con el bos¨®n de Higgs] era solo el primer paso, pero a largo plazo siempre fue para encontrar f¨ªsica m¨¢s all¨¢. La principal teor¨ªa que estudia es la supersimetr¨ªa, pero de momento sigue siendo un rompecabezas. Hemos buscado la supersimetr¨ªa en todas las configuraciones posibles que se nos ocurren, empezando por lo f¨¢cil y luego buscando cada vez situaciones m¨¢s espec¨ªficas, pero por el momento no hemos encontrado nada. No obstante, queda mucho espacio matem¨¢tico por estudiar: estamos solo al comienzo y queremos hacer an¨¢lisis con m¨¢s poder estad¨ªstico. Adem¨¢s, tambi¨¦n buscamos mediciones m¨¢s precisas del propio bos¨®n de Higgs.

Es el sue?o de todo f¨ªsico es describir todas las fuerzas con una sola f¨®rmula. Adem¨¢s, la teor¨ªa de la supersimetr¨ªa explica tambi¨¦n la gravedad, que no est¨¢ incluida en el modelo est¨¢ndar. Resuelve muchos problemas

P. ?En qu¨¦ consiste la teor¨ªa de la supersimetr¨ªa?

R. En el modelo est¨¢ndar hay part¨ªculas que describen la materia y part¨ªculas que describen las fuerzas. Las part¨ªculas de materia [fermiones] tienen un comportamiento concreto, pueden formar ¨¢tomos, y tienen otra caracter¨ªstica, el n¨²mero cu¨¢ntico ¡ªtambi¨¦n llamado spin, algo como el momento angular de su rotaci¨®n¡ª, con valor de ?. Las part¨ªculas de fuerzas tienen otro comportamiento y su spin tiene valor de 1 o de 0; se llaman bosones. Toda la maquinaria del modelo est¨¢ndar de part¨ªculas se ha construido en torno al concepto de la simetr¨ªa: si algo funciona, su inverso tambi¨¦n deber¨ªa funcionar. As¨ª, si inviertes la carga el¨¦ctrica de las part¨ªculas, deber¨ªa funcionar todo igual. El ¨²ltimo nivel de simetr¨ªa es el n¨²mero cu¨¢ntico: deber¨ªamos poder a?adir ? al spin de las part¨ªculas de materia y ? al spin de las part¨ªculas de fuerza: las primeras se convertir¨ªan en bosones y las segundas, en fermiones.

Si a?ades estas part¨ªculas [supersim¨¦tricas] a los c¨¢lculos, se cancelan muchos elementos matem¨¢ticos complicados que la f¨ªsica no es capaz de explicar, y todo se vuelve muy claro. Por ejemplo, al a?adir estas part¨ªculas todas las fuerzas de una determinada energ¨ªa se vuelven iguales. Es el sue?o de todo f¨ªsico: describir todas las fuerzas con una sola f¨®rmula. Adem¨¢s, la teor¨ªa de la supersimetr¨ªa explica tambi¨¦n la gravedad, que no est¨¢ incluida en el modelo est¨¢ndar. Resuelve muchos problemas, as¨ª que desde hace 20 o 30 a?os, es la teor¨ªa favorita.

P. ?No interfiere el deseo de que la teor¨ªa sea cierta con la objetividad cient¨ªfica?

R. A lo mejor es ingenuidad, o el hecho de que encontramos belleza en un mundo sim¨¦trico. Puede que sea una limitaci¨®n, pero es la forma en que est¨¢ construido nuestro cerebro.

P. Los experimentos de f¨ªsica normalmente buscan una se?al muy concreta que predicen los c¨¢lculos te¨®ricos. Sin embargo, Atlas, el principal experimento del LHC que usted dirigi¨® durante a?os, anunci¨® un cambio de estrategia hace unos meses: ahora analiza datos de todas las colisiones del acelerador para buscar cualquier patr¨®n novedoso. ?C¨®mo se puede encontrar algo nuevo sin saber lo que se est¨¢ buscando?

R. Es verdad que estamos viviendo la f¨ªsica de los desconocidos 'desconocidos'. El bos¨®n de Higgs era un desconocido 'conocido': aunque no todo el mundo estuviera convencido de que iba a aparecer, ten¨ªamos una idea te¨®rica que nos guiaba. Ahora no nos gu¨ªa una teor¨ªa y no sabemos lo que vamos a encontrar. Es como bajar al r¨ªo y voltear todas las piedras para ver qu¨¦ aparece. Tenemos muchas mentes, sobre todo mentes j¨®venes, para asegurarnos de analizar todos los datos que recogemos. Tambi¨¦n se utiliza inteligencia artificial para buscar patrones en los datos. Pero hay problemas: hace un par de a?os, encontramos una se?al intrigante que result¨® ser una fluctuaci¨®n estad¨ªstica, pero la gente se emocion¨®. Aparecieron cientos de teor¨ªas para intentar explicar el fen¨®meno.

P. Hay una competici¨®n salvaje en la ciencia por ser el primero en publicar la teor¨ªa.

Los neutrinos deben tener masa porque oscilan: cambian de sabor [clase de part¨ªcula] al moverse. Pero lo que vemos no es la realidad, es lo que la naturaleza nos quiere ense?ar

R. Exacto, esa es la dificultad. Pero es parte de la vida normal en cualquier sociedad. La gente quiere reconocimiento por su trabajo. Sobre todo los f¨ªsicos te¨®ricos, tienen que demostrar solo con su cerebro, l¨¢piz y papel que est¨¢n en lo cierto, y tienen que luchar por defender su punto de vista. Por eso la f¨ªsica experimental es tan importante: tiene que ser la gu¨ªa que diga ¡°esta teor¨ªa fuera, esta fuera, esta tambi¨¦n fuera¡±. En el LHC ocurre todo el rato: se destruyen teor¨ªas una detr¨¢s de otra y la gente tiene que volver a empezar.

P. Los descubrimientos que se han hecho sobre los neutrinos recientemente, como el hecho de que tengan masa, ya los sit¨²an fuera de las predicciones del modelo est¨¢ndar. ?Tiene esto algo que ver con la supersimetr¨ªa?

R. No lo sabemos. Los neutrinos deben tener masa porque oscilan: cambian de sabor [clase de part¨ªcula] al moverse. Pero lo que vemos no es la realidad, es lo que la naturaleza nos quiere ense?ar. Por debajo hay otro nivel de realidad, los mass eigenstates [atributos fundamentales de los neutrinos], que no conocemos. Se mezclan en funci¨®n de la energ¨ªa, la distancia, factores as¨ª, y lo que vemos es una combinaci¨®n, pero no el motivo de fondo. Sabemos c¨®mo se comportan los neutrinos porque tenemos formas de definir los par¨¢metros que describen su comportamiento, pero el por qu¨¦ se comportan as¨ª, cu¨¢les son esas caracter¨ªsticas de fondo¡­ eso es otra historia. Podr¨ªamos estar viendo solo la superficie de algo mucho m¨¢s complejo.

P. Usted dirige la participaci¨®n de CERN en el experimento de neutrinos subterr¨¢neo profundo (DUNE) que se est¨¢ construyendo en Estados Unidos. ?Nos ense?ar¨¢ algo sobre estos atributos b¨¢sicos y desconocidos de los neutrinos?

R. DUNE es un experimento para estudiar la oscilaci¨®n de neutrinos a escalas muy grandes, con un haz de neutrinos poderos¨ªsimo. Vamos a observar las oscilaciones y describirlas, estudiando todos sus par¨¢metros. Algunos de estos par¨¢metros son conocidos y otros son desconocidos: por ejemplo, podr¨ªamos observar el fen¨®meno que explica la asimetr¨ªa entre la materia y la antimateria del universo, o por qu¨¦ estamos todos hechos de materia.

P. DUNE es un experimento enorme de ciencia b¨¢sica, pero adem¨¢s, ?puede tener un valor pr¨¢ctico ese conocimiento?

Cada tanque de protoDUNE pesa mil toneladas y contiene arg¨®n l¨ªquido a 184 grados bajo cero. Era un paso necesario para demostrar que funcionar¨¢. ProtoDUNE funciona a la perfecci¨®n, pero no ver¨¢ nunca neutrinos.

R. Es como el bos¨®n de Higgs. No le puedes decir a nadie que el bos¨®n de Higgs va a ser relevante en su vida. Es conocimiento puro, lo cual significa conocimiento para el futuro. Pero tambi¨¦n hace falta desarrollar nuevas tecnolog¨ªas que podr¨ªan encontrar aplicaciones inesperadas en el mundo civil. DUNE tiene varios objetivos cient¨ªficos: con sus detectores subterr¨¢neos enormes de neutrinos, podremos ver tambi¨¦n si los protones se desintegran, podremos entender la explosi¨®n de una supernova porque emite neutrinos, y el experimento de oscilaci¨®n nos puede decir por qu¨¦ hay tres familias [sabores] de part¨ªculas. Puede que haya un cuarto tipo de neutrino y habr¨ªa que reevaluar nuestro modelo de todo el entorno. La pregunta es cu¨¢nto valor le da cada uno a ese conocimiento fundamental.

P. ?Cu¨¢l es el objetivo del prototipo reci¨¦n construido en CERN, protoDUNE?

R. Como DUNE es un experimento tan grande ¡ªemplear¨¢ cuatro detectores de 20.000 toneladas cada uno, enterrados a un kil¨®metro y medio de profundidad¡ª, pensamos que ser¨ªa est¨²pido y arriesgado construir algo as¨ª sin tomar algunos pasos intermedios. Con protoDUNE hemos demostrado que podemos construir y operar detectores de este tipo. Cada tanque de protoDUNE pesa mil toneladas y contiene arg¨®n l¨ªquido a 184 grados bajo cero. Era un paso necesario para demostrar que funcionar¨¢. ProtoDUNE funciona a la perfecci¨®n, pero no ver¨¢ nunca neutrinos. En el esp¨ªritu de la globalizaci¨®n, decidimos no construir un experimento de neutrinos propio en CERN para concentrar todos los esfuerzos en el proyecto internacional en EE UU. Ahora vamos a abrir una convocatoria para propuestas: queremos que los prototipos se aprovechen para hacer f¨ªsica. Son detectores enormes y preciosos, quiz¨¢s alguien tenga una buena idea para utilizarlos en la b¨²squeda de materia oscura o algo as¨ª.