Qué es realmente el bosón de Higgs, de qué está hecha la materia oscura y por qué hay tres “familias” de electrones. Pueden parecer cuestiones de nicho, ultraespecializadas, pero en realidad tienen que ver con algo mucho más general: la respuesta a estas tres preguntas está, de hecho, vinculada a la comprensión de los mecanismos profundos de la naturaleza que determinan las propiedades fundamentales del universo. Y la ayuda para encontrar estas respuestas podría venir algún día de la formidable combinación de los datos que producirá el Futuro Colisionador Circular (FCC), el enorme acelerador de partículas que se está diseñando en el CERN de Ginebra, y la inteligencia artificial que se encargará de interpretarlos. Esta es la visión de Mark Thomson, catedrático de Física Experimental de Partículas en Cambridge y recientemente señalado por el Gobierno británico como candidato a la dirección del CERN como sucesor de Fabiola Giannotti, cuyo segundo mandato expirará en breve. Thomson visitó recientemente Italia y nos reunimos con él para conocer su opinión sobre el futuro de la física y los próximos retos del CERN.
Neutrinos, tan pequeños y tan importantes
Nuestra conversación con Mark Thomson solo podía comenzar con los neutrinos, el tema de su investigación durante varias décadas. Uno de los secretos más impenetrables del Universo parece estar preservado en los neutrinos, concretamente la llamada asimetría entre materia y antimateria. Es el propio Thomson, colíder de DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), uno de los mayores experimentos de neutrinos del mundo, quien explica: “Los neutrinos son claramente diferentes de otras partículas. Durante mucho tiempo pensamos que tenían masa cero, pero ahora sabemos que tienen masa casi cero, pero no realmente cero, sino una masa muy muy pequeña, mucho menor que todas las demás partículas. Así que está claro que los neutrinos tienen algo diferente y, por el momento, no sabemos qué los hace tan especiales. Pero hay más”, añade , “por el momento seguimos sin entender por qué, después del Big Bang, quedó materia en el Universo. De hecho, el Big Bang creó partículas y antipartículas, que deberían haberse aniquilado entre sí, dejando solamente energía. En cambio, es evidente que esto no ocurrió: lo que ocurrió fue que por cada mil millones de antipartículas había mil millones y una partículas. La pregunta es, por tanto: ¿cómo surgió esta pequeña asimetría? Ahora bien, los neutrinos pueden ser la clave. Es probablemente la mejor teoría que tenemos para explicar cómo se generó esta asimetría. Se necesitan dos cosas: los neutrinos deben ser los llamados fermiones de Majorana, es decir, deben coincidir con su propia antipartícula, pero también debe haber una violación de la simetría entre materia y antimateria para los neutrinos. Se trata de una cuestión muy importante. Todavía no hemos observado esta violación, y uno de los principales objetivos del proyecto Dune es precisamente demostrar que los neutrinos se comportan de forma diferente a los antineutrinos. Demostrar que violan este principio según el cual la materia y la antimateria deben comportarse de la misma manera sería un paso muy importante para entender por qué queda materia en el Universo.
Comprender si el neutrino es o no un fermión de Majorana, es decir, si coincide o no con su antipartícula, es por tanto de crucial importancia para la física moderna: y por eso le pedimos a Thomson que se arriesgara sobre lo que su intuición sugiere que podría ser la respuesta correcta. No lo dudó: “Personalmente, estoy convencido de que el neutrino es un fermión de Majorana. La explicación es muy elegante y, sobre todo, no viola una de las leyes fundamentales del Universo, a saber, la relatividad especial de Einstein. Si tuviera que apostar, lo haría por esta posibilidad”.
Y no solo los neutrinos
La física de los neutrinos, en resumen, es de capital importancia. Pero no es la única de las cuestiones fundamentales aún sin resolver. Thomson identifica otras tres igualmente importantes. ‘La primera se refiere al bosón de Higgs, que descubrimos en 2012: es una partícula completamente distinta de cualquier otra que hayamos visto antes, y da masa a todas las demás. En cierto sentido, por tanto, está en todas partes: incluso en el espacio profundo, donde no hay nada, existe el campo de Higgs. ¿Por qué? ¿Qué tipo de partícula es? ¿Es realmente una partícula elemental?”. Luego, por supuesto, están la materia oscura y la energía oscura: “Sabemos que todo lo que vemos está hecho de materia, y eso es apenas el 5% del Universo. Hay al menos otro 25% compuesto por partículas de materia oscura: tenemos algunas ideas sobre lo que podrían ser, y sabemos que deben existir porque vemos sus efectos en las galaxias, pero no vamos mucho más allá. Entender qué es la materia oscura es realmente crucial. Resolver esta cuestión valdría inmediatamente un Premio Nobel. No cabe la menor duda. Por último, un problema relacionado con los electrones y algunos de sus parientes: “La tercera cuestión es un poco más sutil. Existen versiones pesadas de los electrones, llamadas muones, y versiones aún más pesadas, llamadas leptones tau. Y no sabemos por qué hay distintos tipos de electrones (los llamamos ‘familias’ o ‘generaciones ’) ni por qué tienen masas diferentes. Creo que el origen de estas familias, por qué tenemos múltiples copias de cada partícula, qué determina sus masas y por qué son tan diferentes es una cuestión enorme. A veces lo llamamos el ‘enigma del sabor’ y de momento sabemos muy poco al respecto“.
El futuro colisionador circular: hacia una nueva física
Para intentar responder a estas (y otras) preguntas (al menos eso esperan los físicos) estará el Futuro Colisionador Circular (FCC), un enorme acelerador de partículas que se está proyectando en el CERN, en Ginebra, y que debería ser el sucesor del LHC, el instrumento que permitió descubrir el bosón de Higgs. Y que aún tiene mucho que decir: “Lhc aún tiene un futuro muy emocionante por delante”, afirma Thomson, “la primera prioridad es completar sus actualizaciones, haciéndolo más potente: esperamos así poder obtener mediciones más precisas y quizás algunos nuevos descubrimientos”. Las perspectivas del Fcc son más amplias y lejanas en el tiempo: esperamos tenerlo en funcionamiento en 2045 y, para que eso sea posible, tenemos que empezar a planificarlo ya”. La motivación científica de la primera fase de Fcc está relacionada con el bosón de Higgs: haremos colisionar electrones y antielectrones para comprender mejor las propiedades del bosón. Queremos tener a nuestra disposición una máquina gigante, un microscopio enorme, que nos permita alcanzar energías diez veces superiores a las del Lhc: hay tantas cosas que aún no entendemos en física de partículas, y una de las herramientas más poderosas para explorar lo desconocido es básicamente hacer colisionar protones de la forma más energética posible. En la exploración de lo desconocido, las herramientas, las personas y las habilidades serán cruciales. Pero la inteligencia artificial también nos ayudará enormemente“.
Artículo originalmente publicado en WIRED Italia. Adaptado por Mauricio Serfatty Godoy.