Por décadas, La física de partículas ha sido el dominio de colisionadores masivos que azotan las partículas a altas velocidades y las aplastan entre sí mientras equipos de miles observan los resultados. Este tipo de experimentos han producido grandes conocimientos sobre las fuerzas y partículas que componen el mundo físico.

Pero el físico de Stanford Peter Graham aboga por un enfoque muy diferente, uno que podría ser más rápido y más barato que los colisionadores masivos. y eso puede ser capaz de detectar formas de física previamente esquivas como la materia oscura.

Graham señaló que los colisionadores cuestan decenas de miles de millones de dólares y aparecen tan raramente que solo podría haber un colisionador nuevo construido en su vida. Su enfoque evoca una época en la que la física podía llevarse a cabo en una mesa por una o dos personas y producir resultados en solo unos pocos años.

"Se remonta a eso de alguna manera, pero utilizando tipos muy diferentes de tecnologías y enfoques diferentes, "dijo Graham, quien es profesor asistente de física. "Es una nueva dirección para buscar las leyes más básicas de la naturaleza".

Graham, quien también es colaborador de la división de física de partículas elementales en SLAC National Accelerator Laboratory, Recientemente recibió un premio Breakthrough New Horizons in Physics por su dirección de novela, al que espera que se unan más personas. Habló con Stanford Report sobre por qué la física necesita nuevos tipos de experimentos, qué podría ser la materia oscura y cómo espera detectarla.

Ha dicho que sus experimentos exploran nueva física. ¿Qué significa eso?

El modelo estándar de física de partículas es todo lo que hemos descubierto. Explica casi todos los experimentos realizados a escalas gigantes, de núcleos a galaxias. En realidad, hay muy pocas cosas que no explica, lo que llamamos nueva física. Sabemos que hay cosas más allá de lo que hemos visto como materia oscura, y nuevas leyes fundamentales. Esas son las cosas que estamos intentando descubrir.

La materia oscura es una forma de nueva física que podrías detectar. ¿Puede explicar qué es la materia oscura y por qué los físicos creen que existe?

Inicialmente, la gente se dio cuenta de que hay mucha más gravedad atrayendo a las galaxias de lo que podrían explicar. O las leyes de la gravedad estaban equivocadas, que era posible, o había algo más que no sabemos acerca de tirar de las galaxias. De cualquier manera, no se puede explicar con lo que sabemos.

Ahora hay mucha evidencia de que nuestra comprensión de la gravedad no es incorrecta, y en su lugar hay un nuevo tipo de cosas que los físicos han llamado materia oscura. Uno de los principales objetivos de la física ha sido comprender la materia oscura y crear nuevos tipos de experimentos para intentar detectarla. Pero debes tener algunas conjeturas sobre lo que podría ser si lo vas a encontrar. Es un punto universal en la ciencia que tienes que tener alguna idea de lo que estás buscando para saber cómo buscarlo.

¿Cuáles son algunas de las teorías sobre lo que podría ser la materia oscura?

Hay mucha evidencia para dos candidatos, llamados WIMP y axiones. Puede buscar WIMP [partículas masivas que interactúan débilmente] con técnicas más tradicionales, como los colisionadores gigantes, y eso llamó mucho la atención.

Solo hubo un experimento en busca de axiones y solo observó una parte del posible espectro de axiones. Era un escenario aterrador que los axiones podrían ser la materia oscura y podría no haber forma de detectarlos. Los axiones son muy difíciles de buscar porque no interactúan mucho con nuestros experimentos.

La materia oscura también podría ser un nuevo y loco tipo de partícula, o una combinación de WIMP y axiones, o incluso colecciones de agujeros negros. No lo sabemos.

¿Qué te motivó a pensar en formas alternativas de explorar nueva física?

Parte de la motivación es que los grandes colisionadores son importantes, pero también se están volviendo costosos de construir. Además, nos estamos dando cuenta de que algunas teorías nuevas sobre la materia oscura realmente no podrían descubrirse en los colisionadores.

Mi trabajo ha consistido en tomar técnicas de otros campos de la física y utilizarlas en la física de partículas. El Premio Breakthrough es realmente bueno porque trae un sello de aprobación y realmente podría ayudarnos a poner en marcha esta nueva dirección experimental.

¿Puede darme un ejemplo de un tipo de experimento que haya diseñado?

La gente había pensado en un enfoque para detectar la materia oscura de los axiones e hizo un buen trabajo para los axiones de mayor masa. pero posiblemente no podría ver axiones de menor masa. Se nos ocurrió una nueva técnica para detectar axiones de baja masa. Implicaba combinar RMN [resonancia magnética nuclear], que se utiliza comúnmente en aplicaciones médicas, y magnetometría, que es una herramienta muy precisa para medir campos magnéticos. Usamos RMN para amplificar la señal del axión para que el magnetómetro pueda captarla.

Ya comenzamos a crear este experimento, y podría generar resultados en unos años. Es muy emocionante porque este tipo de experimentos pueden producir resultados en escalas de tiempo cortas.

¿Por qué es importante explorar estas nuevas fronteras en física?

La humanidad siempre ha mirado las estrellas y se ha preguntado por qué estamos aquí. Este tipo de preguntas, como la naturaleza de la materia oscura, cuéntanos sobre el nacimiento del universo, por qué todo el universo está aquí.

Pero una parte de ello para mí también es que quiero hacer alguna contribución. Un ejemplo de cómo la física básica ayuda a las personas proviene de la mecánica cuántica. Estoy seguro de que en ese momento pensaron que era un ejercicio de física pura y que no tenía relación con la salud humana. Bien, aprendimos mecánica cuántica y ahora tenemos máquinas de resonancia magnética y escáneres PET. Diría que es una lección realmente importante. Los seres humanos somos creativos y encontramos formas de utilizar nueva información.