Si le pides a un físico como yo que explique cómo funciona el mundo, mi respuesta perezosa podría ser:"Sigue el modelo estándar".

El modelo estándar explica la física fundamental de cómo funciona el universo. Ha soportado más de 50 viajes alrededor del Sol a pesar de que los físicos experimentales buscan constantemente grietas en los cimientos del modelo.

Con pocas excepciones, ha resistido este escrutinio, pasando prueba tras prueba experimental con gran éxito. Pero este modelo tremendamente exitoso tiene brechas conceptuales que sugieren que hay un poco más que aprender sobre cómo funciona el universo.

Soy físico de neutrinos. Los neutrinos representan tres de las 17 partículas fundamentales en el Modelo Estándar. Atraviesan a toda persona en la Tierra en todo momento del día. Estudio las propiedades de las interacciones entre neutrinos y partículas de materia normal.

En 2021, físicos de todo el mundo realizaron una serie de experimentos que probaron el modelo estándar. Los equipos midieron los parámetros básicos del modelo con más precisión que nunca. Otros investigaron los límites del conocimiento donde las mejores mediciones experimentales no coinciden con las predicciones hechas por el Modelo Estándar. Y finalmente, los grupos construyeron tecnologías más poderosas diseñadas para llevar el modelo a sus límites y potencialmente descubrir nuevas partículas y campos. Si estos esfuerzos dan resultado, podrían conducir a una teoría más completa del universo en el futuro.

Relleno de agujeros en modelo estándar

En 1897, J. J. Thomson descubrió la primera partícula fundamental, el electrón, usando nada más que cables y tubos de vacío de vidrio. Más de 100 años después, los físicos siguen descubriendo nuevas piezas del modelo estándar.

El modelo estándar es un marco predictivo que hace dos cosas. Primero, explica cuáles son las partículas básicas de la materia. Estas son cosas como los electrones y los quarks que forman los protones y los neutrones. En segundo lugar, predice cómo estas partículas de materia interactúan entre sí utilizando "partículas mensajeras". Estos se llaman bosones, incluyen fotones y el famoso bosón de Higgs, y comunican las fuerzas básicas de la naturaleza. El bosón de Higgs no se descubrió hasta 2012 después de décadas de trabajo en el CERN, el enorme colisionador de partículas de Europa.

El modelo estándar es increíblemente bueno para predecir muchos aspectos de cómo funciona el mundo, pero tiene algunos agujeros.

En particular, no incluye ninguna descripción de la gravedad. Si bien la teoría de la relatividad general de Einstein describe cómo funciona la gravedad, los físicos aún no han descubierto una partícula que transmita la fuerza de la gravedad. Una "Teoría del Todo" adecuada haría todo lo que puede hacer el Modelo Estándar, pero también incluiría las partículas mensajeras que comunican cómo la gravedad interactúa con otras partículas.

Otra cosa que el modelo estándar no puede hacer es explicar por qué una partícula tiene cierta masa:los físicos deben medir la masa de las partículas directamente mediante experimentos. Solo después de que los experimentos les den a los físicos estas masas exactas, pueden usarse para predicciones. Cuanto mejores sean las mediciones, mejores serán las predicciones que se puedan hacer.

Recientemente, los físicos de un equipo del CERN midieron la fuerza con la que se siente el bosón de Higgs. Otro equipo del CERN también midió la masa del bosón de Higgs con más precisión que nunca. Y finalmente, también hubo avances en la medición de la masa de neutrinos. Los físicos saben que los neutrinos tienen una masa superior a cero pero inferior a la cantidad detectable actualmente. Un equipo en Alemania ha seguido perfeccionando las técnicas que podrían permitirles medir directamente la masa de los neutrinos.

Pistas de nuevas fuerzas o partículas

En abril de 2021, los miembros del experimento Muon g-2 en Fermilab anunciaron su primera medición del momento magnético del muón. El muón es una de las partículas fundamentales en el Modelo Estándar, y esta medida de una de sus propiedades es la más precisa hasta la fecha. La razón por la que este experimento fue importante fue porque la medición no coincidía perfectamente con la predicción del modelo estándar del momento magnético. Básicamente, los muones no se comportan como deberían. Este hallazgo podría apuntar a partículas no descubiertas que interactúan con los muones.

Pero simultáneamente, en abril de 2021, el físico Zoltan Fodor y sus colegas mostraron cómo usaron un método matemático llamado Lattice QCD para calcular con precisión el momento magnético del muón. Su predicción teórica es diferente de las predicciones antiguas, aún funciona dentro del Modelo Estándar y, lo que es más importante, coincide con las mediciones experimentales del muón.

El desacuerdo entre las predicciones previamente aceptadas, este nuevo resultado y la nueva predicción deben conciliarse antes de que los físicos sepan si el resultado experimental está realmente más allá del modelo estándar.

Actualizando las herramientas de la física

Los físicos deben oscilar entre la elaboración de ideas alucinantes sobre la realidad que conforman las teorías y el avance de las tecnologías hasta el punto en que los nuevos experimentos puedan probar esas teorías. 2021 fue un gran año para el avance de las herramientas experimentales de la física.

En primer lugar, el acelerador de partículas más grande del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, se apagó y se sometió a algunas mejoras sustanciales. Los físicos reiniciaron la instalación en octubre y planean comenzar la próxima recopilación de datos en mayo de 2022. Las actualizaciones han aumentado la potencia del colisionador para que pueda producir colisiones a 14 TeV, por encima del límite anterior de 13 TeV. Esto significa que los lotes de diminutos protones que viajan juntos en haces alrededor del acelerador circular transportan la misma cantidad de energía que un tren de pasajeros de 800 000 libras (360 000 kilogramos) que viaja a 100 mph (160 kph). A estas energías increíbles, los físicos pueden descubrir nuevas partículas que eran demasiado pesadas para verlas a energías más bajas.

Se realizaron algunos otros avances tecnológicos para ayudar en la búsqueda de materia oscura. Muchos astrofísicos creen que las partículas de materia oscura, que actualmente no encajan en el modelo estándar, podrían responder algunas preguntas pendientes sobre la forma en que la gravedad se curva alrededor de las estrellas, lo que se denomina lente gravitacional, así como la velocidad a la que giran las estrellas en las galaxias espirales. Proyectos como la búsqueda criogénica de materia oscura aún tienen que encontrar partículas de materia oscura, pero los equipos están desarrollando detectores más grandes y sensibles que se desplegarán en un futuro próximo.

Particularmente relevante para mi trabajo con neutrinos es el desarrollo de inmensos detectores nuevos como Hyper-Kamiokande y DUNE. Con estos detectores, se espera que los científicos puedan responder preguntas sobre una asimetría fundamental en la forma en que oscilan los neutrinos. También se utilizarán para observar la descomposición de protones, un fenómeno propuesto que ciertas teorías predicen que debería ocurrir.

2021 destacó algunas de las formas en que el Modelo Estándar no explica todos los misterios del universo. Pero las nuevas mediciones y la nueva tecnología están ayudando a los físicos a avanzar en la búsqueda de la Teoría del Todo.