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Cinco misterios que el Modelo Estándar no puede explicar

noviembre 11, 2018
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El Modelo Estándar es una cosa de belleza. Es la teoría más rigurosa de la física de partículas, increíblemente precisa y precisa en sus predicciones. Establece matemáticamente los 17 bloques de construcción de la naturaleza: seis quarks, seis leptones, cuatro partículas portadoras de fuerza y ​​el bosón de Higgs. Estos están regidos por las fuerzas electromagnéticas, débiles y fuertes.

“En cuanto a la pregunta '¿Qué somos?', El Modelo Estándar tiene la respuesta”, dice Saúl Ramos, investigador de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). “Nos dice que cada objeto en el universo no es independiente, y que cada partícula está ahí por una razón”.

Durante los últimos 50 años, este sistema ha permitido a los científicos incorporar la física de partículas en una única ecuación que explica la mayor parte de lo que podemos ver en el mundo que nos rodea.

Sin embargo, a pesar de su gran poder predictivo, el Modelo Estándar no responde cinco preguntas cruciales, razón por la cual los físicos de partículas saben que su trabajo está lejos de terminarse.

Una ilustración de un neutrino.

Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova.

1. ¿Por qué los neutrinos tienen masa?

Tres de las partículas del Modelo Estándar son diferentes tipos de neutrinos. El Modelo Estándar predice que, como los fotones, los neutrinos no deberían tener masa.

Sin embargo, los científicos han descubierto que los tres neutrinos oscilan, o se transforman uno en otro, a medida que se mueven. Esta hazaña solo es posible porque los neutrinos no son sin masa después de todo.

“Si usamos las teorías que tenemos hoy, obtendremos la respuesta incorrecta”, dice André de Gouvêa, profesor de la Northwestern University.

El Modelo Estándar hizo que los neutrinos se equivocaran, pero aún está por verse qué tan mal. Después de todo, las masas que tienen los neutrinos son bastante pequeñas.

¿Eso es todo lo que se perdió el modelo estándar, o hay más que no sabemos sobre los neutrinos? Algunos resultados experimentales han sugerido, por ejemplo, que podría haber un cuarto tipo de neutrino llamado neutrino estéril que aún no hemos descubierto.

Una ilustración que representa la materia oscura.

Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova.

2. ¿Qué es la materia oscura?

Los científicos se dieron cuenta de que les faltaba algo cuando se dieron cuenta de que las galaxias giraban mucho más rápido de lo que deberían, en función de la atracción gravitatoria de su materia visible. Estaban girando tan rápido que deberían haberse separado. Algo que no podemos ver, que los científicos han denominado “materia oscura”, debe estar dando una masa adicional, y por lo tanto una atracción gravitatoria, a estas galaxias.

Se cree que la materia oscura constituye el 27 por ciento de los contenidos del universo. Pero no está incluido en el Modelo Estándar.

Los científicos están buscando formas de estudiar este misterioso asunto e identificar sus componentes básicos. Si los científicos pudieran demostrar que la materia oscura interactúa de alguna manera con la materia normal, “todavía necesitaríamos un nuevo modelo, pero eso significaría que el nuevo modelo y el Modelo estándar están conectados”, dice Andrea Albert, investigadora del Departamento de EE. UU. El Laboratorio Nacional SLAC de Energy, que estudia materia oscura, entre otras cosas, en el Observatorio de Cherenkov de Agua a gran altitud en México. “Eso sería un gran cambio de juego”.

Una ilustración que representa la materia y la antimateria.

Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova.

3. ¿Por qué hay tanta materia en el universo?

Cada vez que se forma una partícula de materia, por ejemplo, en una colisión de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones o en la descomposición de otra partícula, normalmente su contraparte de antimateria viene para el viaje. Cuando la materia igual y las partículas de antimateria se encuentran, se aniquilan unas a otras.

Los científicos suponen que cuando se formó el universo en el Big Bang, la materia y la antimateria deberían haberse producido en partes iguales. Sin embargo, algún mecanismo mantuvo a la materia y la antimateria de su patrón habitual de destrucción total, y el universo que nos rodea está dominado por la materia.

El Modelo Estándar no puede explicar el desequilibrio. Muchos experimentos diferentes están estudiando la materia y la antimateria en busca de pistas sobre qué inclinó la balanza.

Una ilustración que representa la inflación cósmica.

Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova.

4. ¿Por qué se está acelerando la expansión del universo?

Antes de que los científicos pudieran medir la expansión de nuestro universo, adivinaron que había comenzado rápidamente después del Big Bang y luego, con el tiempo, comenzó a disminuir. Entonces, me sorprendió que la expansión del universo no solo se ralentizara, sino que en realidad se estaba acelerando.

Las últimas mediciones realizadas por el Telescopio Espacial Hubble y el observatorio Gaia de la Agencia Europea del Espacio indican que las galaxias se están alejando de nosotros a 45 millas por segundo. Esa velocidad se multiplica por cada megaparsec adicional, una distancia de 3,2 millones de años luz, en relación con nuestra posición.

Se cree que esta tasa proviene de una propiedad inexplicable del espacio-tiempo llamada energía oscura, que está separando al universo. Se cree que representa alrededor del 68 por ciento de la energía en el universo. “Eso es algo muy fundamental que nadie podría haber anticipado con solo mirar el Modelo Estándar”, dice de Gouvêa.

Una ilustración que representa una partícula asociada a la fuerza de gravedad.

Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova.

5. ¿Hay una partícula asociada con la fuerza de la gravedad?

El modelo estándar no fue diseñado para explicar la gravedad. Esta cuarta y más débil fuerza de la naturaleza no parece tener ningún impacto en las interacciones subatómicas que explica el Modelo Estándar.

Pero los físicos teóricos piensan que una partícula subatómica llamada gravitón podría transmitir la gravedad de la misma manera que las partículas llamadas fotones transportan la fuerza electromagnética.

“Después de que LIGO confirmó la existencia de ondas gravitacionales, ahora preguntamos: ¿Cuál es la onda gravitacional más pequeña posible? Esto es muy parecido a preguntar qué es un gravitón “, dice Alberto Güijosa, profesor del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM.

Más para explorar

Estos cinco misterios son las grandes preguntas de la física en el siglo XXI, dice Ramos. Sin embargo, hay aún más enigmas fundamentales, dice: ¿Cuál es la fuente de la geometría del espacio-tiempo? ¿De dónde sacan las partículas su espín? ¿Por qué es tan fuerte la fuerza fuerte mientras que la fuerza débil es tan débil?

Queda mucho por explorar, dice Güijosa. “Incluso si terminamos con una teoría final y perfecta de todo lo que tenemos en nuestras manos, seguiríamos realizando experimentos en diferentes situaciones para ampliar sus límites”.

“Es un ejemplo muy clásico del método científico en acción”, dice Albert. “Con cada respuesta vienen más preguntas; nunca se hace nada “.