¿Estamos ante una nueva era de la física? Daniel Wegman nos habla del Muon g-2

Enlace Judío México e Israel – Enlace Judío México e Israel – La semana pasada, un equipo de físicos experimentales presentó los resultados de su experimento Muon 2-g los cuales confirman que el Modelo Estándar de la física teórica requiere de un ajuste, de una nueva partícula o fuerza aún no descrita. Para hablar sobre las implicaciones del experimento, conversamos con el doctor Daniel Wegman Ostrosky, físico mexicano. 

“La física de partículas es extremadamente rara. Si tratamos de pensarlo como normalmente pensamos nosotros, o sea, la vida normal, realmente, no se comporta como esperamos que se comporta.” Con esas primeras palabras, Daniel Wegman Ostrosky, físico teórico mexicano, comienza la complicada tarea de explicarnos, vía una conversación virtual con Carol Perelman, qué significa el descubrimiento anunciado por el Fermilab, del Departamento de Energía de Estados Unidos.

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“En la escuela nos enseñaron que hay electrones, neutrones y protones, la realidad es que esas nos son las partículas fundamentales. Bueno, el electrón sí (pues), no está compuesto de más partículas. Sin embargo, por ejemplo, los protones y los neutrones sí están compuestos de más partículas (como los quarks). Entre los quarks y los electrones está compuesta casi toda la materia.”

Según explica Wegman, electrones y dos quarks son los responsables de formar “todo lo que vemos nosotros en el mundo, todo el piso, el cielo, todo se genera con estas tres partículas.” Además, claro, de las fuerzas naturales que los afectan, que interactúan con ellos.

“Sin embargo, en el universo, estas partículas aparecen en generaciones. Aparecen de a triple. Entonces, por ejemplo, el electrón tiene dos partículas que son similares, a veces les llaman primos, hermanos, que es el muon y el tau. Las partículas son exactamente iguales que el electrón pero más pesadas. El muon tiene una masa que es 200 veces más pesada que el electrón y el tau es como 40,000 veces más pesado que el electrón.”

En la física de partículas, el cálculo del peso de estos diminutos bloques de construcción es fundamental, pues implica la forma en que interactúan entre ellos y cómo van formando “piezas” más estables y de mayor masa, de las que está formado todo lo que vemos.

“Y básicamente, están en el universo. A veces los detectamos cuando vienen rayos cósmicos (…). En los experimentos de partículas como (los que se realizan en) el CERN las creamos, porque hay mucha energía y entonces se crean. Pero (…) son, digamos, partículas inestables. Son inestables porque si tú las creas en un experimento, inmediatamente se descomponen en otras partículas.”

Un modelo para desarmar

Wegman Ostrosky, doctorado en Física de Partículas de la Universidad de California en Riverside, hace una analogía para tratar de explicar qué es el famoso Modelo Estándar y por qué un descubrimiento que a ojos mortales parecería diminuto (una desviación de diezmilésimas en un cálculo matemático) puede hacerlo tambalear.

“El Modelo Estándar es a la física de partículas lo que la Tabla Periódica es a la química, es como lo que nos dice de qué está hecho (el universo). El Modelo Estándar de partículas nos dice que hay 17 partículas fundamentales. Ya hablamos del electrón pero vienen en tres (el muon y el tau, sus “primos”); ya hablamos de los quarks, que son seis, dos (arriba y abajo) y vienen en tres familias; tenemos las partículas como el fotón; también tenemos algo que llamamos el Z y el W; y también, por ejemplo, está el bosón de Higgs.”

Ese es el catálogo hasta ahora conocido de partículas fundamentales. “Lo que pasa con el Modelo Estándar es que es un modelo extremadamente complicado, o sea, la matemática que está detrás es mucho más complicada de lo que uno se puede esperar.”

Para que ese modelo funcione y explique cómo interactúan las partículas, es necesario que sean esas y no otras, no más ni menos. “Digamos que asumo que hay una nueva partícula que no conocemos y la pongo (en el modelo matemático). No solo es poner la partícula y ya. Ahí sí es diferente que en la Tabla Periódica. Yo puedo poner un nuevo elemento en la Tabla Periódica y (hacerlo) no me va a afectar la masa del hidrógeno. Sin embargo, yo agrego una nueva partícula al Modelo Estándar y esa partícula va a interactuar con los electrones, con los protones, con todas las partículas y me va a cambiar todos los valores que yo tengo.”

Eso cambiaría el valor de la masa del bosón de Higgs, o la interacción entre electrones. “Entonces agregar partículas al Modelo Estándar es una cosa muy complicada y no es nada trivial. O sea, si uno se mete a internet, hay decenas de miles de artículos de diferentes modelos… es lo que yo hacía también cuando trabajaba en la física, me dedicaba a escribir modelos físicos donde decía ‘¿qué pasa si en vez de un Higgs hay tres Higgses?’. Te pones a agregar y te pones a ver qué es lo que pasa.

“Entonces, ¿cuál es la implicación de tener un experimento que no describe lo que predice el Modelo, de haber encontrado algo diferente?  Implica que nos falta información, que hay cosas que no sabemos, que es muy claro, pero no es tan trivial como decir ‘ah, pues seguramente hay una partícula que falta y punto’. Seguramente no es una partícula: encontrar que hay hoyos en el Modelo Estándar significa que seguramente hay un zoológico de partículas que no hemos visto, seguramente 50, 100 nuevas partículas que están ahí, que no hemos visto.”

Para los físicos, esto significa una gran noticia. Representa la posibilidad de seguir descubriendo más y más partículas, fuerzas e interacciones que expliquen de qué está hecho el universo. Finalmente, casi todo cuanto existe en el universo observable está formado por materia y energía oscuras. Sabemos que existen pero no de qué están hechas.

Descubrir que no sabemos tanto como creíamos, “como físico teórico, es algo que tú quieres. Con el CERN fue algo que pasó. El CERN estaba buscando el Higgs, pero el CENR no solo estaba buscando el Higgs. La idea del experimento del CERN, aunque terminó de encontrar el Higgs, entró a fase 2, y fase 2 fue ‘vamos a buscar más física’. Obviamente, si no encontramos más física, todos nos quedamos sin trabajo.”

Por eso, “siempre estamos buscando nueva física”.

Un modelo incompleto pero no incorrecto

El anuncio en cuestión, que se refiere a los primeros resultados obtenidos por los científicos del Fermilab, anunciados el 9 de abril pasado, parece confirmar observaciones previas que desafían la capacidad del Modelo Estándar de determinar las fluctuaciones magnéticas de los muones. Aunque las diferencias entre el cálculo matemático y la observación empírica son diminutas a simple vista, estamos hablando, finalmente, de un mundo infinitesimal, con cifras de 10 dígitos a la derecha del punto decimal.

Todavía cabe la posibilidad de que las observaciones se deban a fenómenos casuales (hay una posibilidad en 40 mil) pero este experimento se ubica muy cerca del sigma 5, el estándar científico que determina cuando una desviación del cálculo matemático deja de ser explicable como una simple casualidad. De confirmarse los hallazgos, estos implicarían que los muones están interactuando con partículas que no conocemos o con una nueva fuerza de la naturaleza. En ambos casos, el Modelo Estándar tendría que reescribirse.

“Nosotros ya sabemos, desde hace muchos años, que al Modelo Estándar le falta. No que sea incorrecto, eso es algo que la gente piensa erróneamente. El Modelo Estándar no está incorrecto. Sabemos que es correcto. De igual forma que la Física de Newton es correcta pero uno la puede modificar agregándole la relatividad. Uno podría agregarle la relatividad especial, modificar las ecuaciones y es una teoría más completa. No quiere decir que Newton es incorrecto. Yo puedo medir la velocidad de un coche usando (teorías de ) Newton y va a ser correcto. Entonces, ahí es donde estamos con el Modelo Estándar. Sabemos que es incompleto. Mientras más información encontremos de que es incompleto, más podemos aprender, y mientras más podemos aprender, más vamos a saber.”

Pero si el solo deseo de saber de qué está hecho el universo, de qué estamos hechos todos nosotros, no fuera suficiente, la física cuántica, la física de altas energías o la física de partículas, como quiera llamársele, es responsable por múltiples desarrollos tecnológicos que hoy en día nos parecen tan naturales como una flor, pero que no serían posibles sin un previo y vasto desarrollo teórico.

“Hace 100 años, en 1920, la gente empezó a aprender la mecánica cuántica pero eran experimentos, realmente no sabíamos cómo modificarla. Solo sabíamos que existía. Hoy en día podemos hacer microprocesadores, podemos tener celulares porque pudimos entender lo suficiente la teoría para poder modificarla.”

Así como la relatividad de Einstein hace posible la precisión de los sistemas GPS, el conocimiento de cómo se comportan las partículas fundamentales puede llevar al desarrollo de avanzadas tecnologías. Este conocimiento parte, a veces, de teorías que son probadas experimentalmente. Pero también puede ocurrir a la inversa: que un experimento arroje resultados inesperados y que nueva teoría deba escribirse para explicarlo.

A veces, la tecnología es el resultado de un descubrimiento científico que no buscaba ninguna aplicación práctica. Para Wegman, “el saber, es el entender que las tecnologías que se han desarrollado por solo hacer experimentos por saber han ayudado un montón. Los detectores que usamos hoy en día para hacer mamografías vienen de los detectores de partículas. Estaban tratando de encontrar partículas. Tenían una cosa tan sensible para poder encontrar un electrón, y hoy en día lo ponemos en un dispositivo médico. Entonces, van mano a mano.”

Aluvión de teorías

La teoría y el experimento bailan hoy en día una danza en espiral ascendente hacia el conocimiento. El experimento Muon 2-g podría desatar una tormenta de teorías que no serán probadas hasta que nuevos experimentos logren realizarse. Eso podría llevar muchos años, puesto que se trata de experimentos caros, complicados y cuyo análisis es ya en sí un trabajo complicadísimo.

A pocos días de anunciados los resultados del Fermilab sobre el Factor G de los muones, ya hay pre-prints con teorías que retoman el experimento. “Y yo te puedo asegurar que nos porque alguien haya escrito un artículo en dos días, después del experimento. Te puedo asegurar que es porque alguien tenía una teoría que ya tenía hecha, y que seguramente ya tenía un artículo inclusive escrito al respecto, y lo que hizo fue modificar su teoría para que pueda aceptar este experimento.”

Sobre el experimento en cuestión, Wegman, que se muestra cauteloso como casi toda la comunidad científica, pero también igual de entusiasmado, dice que “siempre está la posibilidad de que sea una partícula nueva. Hay algo todavía más interesante, que no sea un partícula nueva: que sea una fuerza nueva. Que no sea una de las cuatro fuerzas fundamentales que conocemos, que sea una quinta fuerza. Uno también podría escribir un modelo matemático que pueda hacer eso…”.

El físico mexicano hace una analogía entre lo que estamos viviendo y la época de los más antiguos videojuegos, donde uno adquiría un juego muy pesado y luego debía comprar una mejor computadora para usarlo. Luego, con la creación de computadoras más potentes, nacieron juegos más pesados aún. “Estamos entrando a un nuevo nivel, definitivamente, y seguramente vamos a tener que construir una nueva computadora para jugar ese nivel.”

La ciencia ha logrado dar explicaciones plausibles a muchísimos fenómenos que antes nos parecían obra de los dioses. Sin embargo, sigue siendo todavía mucho más lo que no conocemos, lo que no podemos explicar y lo que nos da dolores de cabeza.

“Siempre se cree que la física, que la ciencia se está acabando y que no va a haber cosas nuevas, y básicamente la ciencia siempre nos sorprende y nos muestra que hay siempre mucho más que encontrar”.

“Entonces… estén pendientes”

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