Evidencia de ausencia
La ciencia y el derecho son muy diferentes. Sin embargo, es posible encontrar entre ellos, a veces, puntos de conexión. Uno de los brocardos que nos legaron los romanos dice: «Absentia lunga et mors a equi parantur»(1). Quizá la física teórica(2) deba aprender del derecho y aplicar esta máxima. La razón, como veremos a continuación, es que no es exagerado definir la actividad teórica en física de partículas de los últimos 35 o 40 años como una ausencia continuada.
No soy historiador, pero no creo equivocarme al decir que hace más de 40 años que se formularon los primeros modelos supersimétricos y más de 30 que se propusieron los WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) como materia oscura. Y desde entonces, estas propuestas y sus extensiones han dominado el panorama teórico.
La supersimetría (o SUSY) relaciona fermiones con bosones, es decir, partículas de materia con partículas de fuerza. De hecho, SUSY es una simetría del espaciotiempo, que extiende las de la relatividad especial. El desarrollo técnico detallado de estas ideas, que ha llegado muy lejos, va más allá del alcance de esta nota. Para lo que nos interesa aquí, baste decir que la unificación de fermiones y bosones se sustancia doblando el número de partículas, de tal manera que a través de la operación supersimétrica, a cada fermión se le hace corresponder un bosón y viceversa, sus compañeras supersimétricas. SUSY no es una teoría, sino más bien un principio físico, la unificación de fermiones y bosones, que se puede plasmar de casi infinitas maneras diferentes. Pero, ¿por qué un nuevo principio físico cuando tenemos el modelo estándar? Las razones que llevaron a proponer SUSY son harto curiosas. Y ninguna tiene que ver con los experimentos, perfectamente explicados por el modelo estándar. Todas son puramente teóricas. Básicamente, dos: el problema de la jerarquía (o la naturalidad) y la unificación de las interacciones fundamentales. Se consideró que el modelo estándar, a pesar de sus éxitos continuos, no es una buena teoría porque no da una respuesta estéticamente satisfactoria a estos dos supuestos problemas.
El origen del problema de la jerarquía, o más bien, la razón por la que es considerado un problema, es un prejuicio teórico. Se trata de buscar indicaciones de la existencia de nueva física en la enorme disparidad de escalas que aparece en el modelo estándar. Se puede presentar de varias maneras, pero en esencia se trata de la enorme diferencia que hay entre las masas de las partículas y la escala de Planck. Tal variación no se considera "natural", y por tanto, debería haber una razón para ello, que sería SUSY.
La otra razón por la que SUSY es tan apreciada por los físicos teóricos es que si realmente fuese uno de los principios rectores de la naturaleza, proporciona un escenario natural para la unificación de las tres interacciones fundamentales incluidas en el modelo estándar. De nuevo, la unificación es un motivo estético. Podría muy bien ocurrir que las interacciones no se unificaran hasta la escala de Planck.
Hay una tercera razón por la que SUSY tiene esta consideración especial: sus asombrosas propiedades matemáticas. Por ejemplo, si la supersimetría se hace local, aparece la gravedad como fuerza asociada. Este es el único camino conocido hoy en día para incluir la fuerza de la gravedad en las teorías físicas en pie de igualdad con las otras interacciones (supergravedad), y es la base sobre la que se asientan construcciones que han pasado a formar parte del folklor, como la teoría de supercuerdas. Esta no es la única propiedad destacada de SUSY. También es la única combinación posible de simetrías internas y simetrías del espacio tiempo. En torno a estas propiedades comenzó a construirse, en los años 80 del sigo XX, una estructura gigantesca. Desde entonces se ha creado una mastodóntica comunidad de físicos teóricos en todo el mundo, que se dedican al estudio de SUSY y sus extensiones: supercuerdas, supergravedad en 11 dimensiones, branas, etc. Esta comunidad, con el tiempo, ha llegado a dominar la mayor parte de los departamentos de física teórica en las universidades y centros de investigación de todo el mundo, convirtiéndose en la de mayor influencia en la física de partículas, también la experimental, y desde luego, en la de mayor exposición a los medios de comunicación. Por eso es más conocida entre el gran público la teoría de cuerdas que el modelo estándar. Pasmoso. Sin embargo, en términos reales, la teoría ha contribuido muchísimo menos que los experimentos al desarrollo de la física fundamental de los últimos 40 años. Aunque aquellos que se dedican a estas teorías dicen seguir haciendo predicciones, normalmente estas son o bien fallidas o bien inalcanzables con la tecnología actual, lo que ha creado una separación muy grande entre los físicos teóricos y los experimentos.
Si SUSY fuese una simetría exacta de la naturaleza, cada partícula y su compañera supersimétrica tendrían exactamente la misma masa. Como sabemos desde hace mucho tiempo, esto no es así. Sin embargo, el hecho de que las partículas supersimétricas con masas iguales a las de las partículas ordinarias no existan, no quiere decir necesariamente que la supersimetría no se realice en la naturaleza. Pero si realmente está presente, debe estar rota. Sabemos que es posible tener en la naturaleza simetrías rotas. De hecho, la simetría que da origen a la fuerza electrodébil está rota, y gracias a eso las partículas adquieren masa a través del mecanismo de Higgs. De manera análoga, la rotura de la supersimetría se traduciría en que las compañeras supersimétricas adquieren una masa. Y aquí está el gran problema. Hay casi infinitas maneras de romper SUSY, y cada una de ellas tiene diferentes consecuencias respecto a las propiedades de las partículas supersimétricas. Ahora bien, si SUSY tiene que ser la solución de los problemas de la jerarquía y de la unificación, como hemos comentado antes, tiene que tener algunas características bien definidas. Por ejemplo, las masas de las compañeras supersimétricas (como mínimo, de algunas de ellas), tiene que ser menores que la masa del bosón Z.
Además, en las versiones supersimétricas del modelo estándar, la compañera supersimétrica más ligera es estable, eléctricamente neutra, masiva e interacciona débilmente con la materia ordinaria. Se convierte, pues, en un excelente candidato para formar la misteriosa materia oscura que da cuenta de un 25% del contenido en materia-energía del universo. Esta posdicción impulsó aun más la confianza en que SUSY era lo que los físicos buscaban.
Este esquema, formulado hace ya más de 30 años, parecía solucionar muchos de los problemas de la fisica de partículas. Incluso todos. Se comenzó a hablar de la quimérica teoría del todo (TOE). Basándose en el éxito indiscutible del modelo estándar, los teóricos cometieron un error muy parecido al que se dio a finales del siglo XIX, pensando que la física fundamental estaba muy cercana ya a su teoría final. Se decidió, sin más justificación que las propiedades matemáticas de SUSY, que en primer lugar se unifican las fuerzas del modelo estándar y más tarde la gravedad. Muchos científicos pensaban que la belleza matemática de la teoría era guía más que suficiente para recorrer el camino hasta la TOE, mediante la teoría de supercuerdas. En 1980, Hawking llegó a afirmar que había una probabilidad del 50% de formular la teoría final ¡en 20 años! Algo así como las nubecillas de Lord Kelvin, pero 80 años después: el hombre es el único animal que tropieza dos veces en la misma piedra. Sin embargo, estas previsiones pronto se mostraron excesivamente optimistas. Cuando todo este constructo teórico comenzó a producir predicciones incorrectas o imposibles de verificar, la mayor parte de la comunidad de físicos teóricos se mostró incapaz de reconsiderar su posición. Es muy difícil retractarse cuando se han hecho afirmaciones tan rotundas. Por tanto, la comunidad comenzó a fijar su atención en la elegancia matemática, despreciando las predicciones medibles. Una fracción importante de físicos se deslizó hacia la matemática pura, separándose definitivamente de los experimentos, y creando un constructo practicamente imposible de testar empíricamente, pero supuestamente capaz de explicarlo todo. En esas seguimos hoy en día.
Sin embargo, quedaba un "pequeño" detalle: confirmar la existencia de las partículas supersimétricas en los experimentos. La física es una ciencia experimental. De hecho, la más experimental de todas las ciencias. No conviene olvidarlo. Y para conseguir esa confirmación en el experimento, era necesario construir colisionadores de partículas suficientemente poderosos como para ser capaces de producir esas hipotéticas compañeras supersimétricas. Estos aceleradores se han contruido, han funcionado y han dado su veredicto. Nada de nada. El modelo estándar ha ganado. Las predicciones dijeron que había que encontrarlas en LEP. No se encontraron. Que había que encontraralas en HERA. No se encontraron. Que había que encontraralas en Tevatrón. No se encontraron. Que había que encontraralas en LHC. Tampoco se han encontrado.
Analogamente, la búsqueda de partículas supersimétricas como componentes de la materia oscura ha arrojado resultados igualmente negativos, después de jugar un juego muy similar al que acabamos de describir en los colisionadores. Hoy en día, como se comentó en la primera entrega de esta serie, sabemos ya que la probabilidad de interacción de la materia oscura con la materia normal es diez mil millones de veces menor que lo que predecían los primeros modelos.
Esta huida continua se ha podido producir porque es posible ir reformulando SUSY para que las masas de las compañeras supersimétricas sean cada vez más altas e ir escapando de las medidas. Esto es así porque la predicción comentada antes de que las partículas supersimétricas deben ser más ligeras que el bosón Z hay que refinarla incluyendo las correcciones cuánticas. Siempre es posible inventar nuevas maneras imaginativas de romper SUSY de tal manera que las correcciones cuánticas a las masas de las compañeras supersimétricas hagan que estas sean cada vez mayores, pagando el precio, claro está, de tener una teoría cada vez más barroca y ad hoc. Pero este camino tiene un final. No se puede jugar a ese juego indefinidamente, y ahora se está alcanzando el límite a partir del cual esa huida hacia adelante deja de tener sentido. Con las medidas actuales, las correcciones cuánticas necesarias para adaptar SUSY son tan grandes que el problema que se quería resolver vuelve a aparecer. Ya no tiene sentido seguir.
Como decía Carl Sagan, hablando de la búsqueda de vida extraterrestre: «la ausencia de evidencia no es evidencia de ausencia». Esta máxima puede aplicarse también a SUSY, pero no ad infinitum (de aquí los títulos de estos artículos). Si SUSY no se encuentra en LHC, las realizaciones de este principio físico capaces de solucionar los problemas de la jerarquía y la unificación estarán excluidas. Quizá SUSY sea una simetría de la naturaleza a escalas de energía muy altas, pero, desde luego, no será la solución para aquellos problemas que motivaron su desarrollo.
Esta situación coloca a la física teórica de partículas en una crisis. Ya hay científicos que se plantean si la manera de atacar los problemas que se ha utilizado durante el último medio siglo es adecuada o no. Es de esperar que si el LHC confirma definitivamente la no existencia de nueva física, como parece que va a ocurrir, este número de científicos crezca. Pero cuando se ha creado una estructura tan poderosa como la que hoy en día existe en torno a la teoría de cuerdas, este cambio es extremadamente complicado. Hay ya varias generaciones de científicos que han dedicado su vida a SUSY y sus extensiones (cuerdas, branas, y otras ideas), con todo el ruido mediático que conocemos. Reconocer que ha sido en vano es una tarea muy difícil, que requerirá mucho tiempo. Ya lo decía Planck: «la verdad nunca triunfa, simplemente sus oponentes se van muriendo». En este sentido se han pronunciado ya algunos de los teóricos más destacados, como David Gross, que ha dicho, al pagar la apuesta que ha perdido acerca del LHC, que la gente joven debería aprovechar esta situación para buscar nuevas ideas, pero él dice ser «demasiado viejo para eso».
Pero esto no quiere decir en absoluto que la física de partículas esté tocando a su fin. Más bien todo lo contrario. Cada vez hay nuevos y mejores resultados experimentales que indican claramente que hay todavía muchos aspectos del universo que no entendemos, y que queda mucho camino por recorrer. Está comprobado que existe física más allá del modelo estándar, que no es suficiente para explicar el valor de la constante cosmológica, la bariogénesis y la fisica del universo muy temprano o la fuerza de la gravedad. Hay, además, sectores del modelo estándar que todavía no han sido puestos a prueba en los experimentos, sobre todo, las propiedades de los neutrinos y las predicciones no perturbativas. La física tiene por delante, pues, un camino fascinante.
En resumen, desde el punto de vista puramente científico, la no aparición de nuevas partículas en LHC hace que no haya indicaciones de cuál es la escala de energías donde deben aparecer nuevos fenómenos físicos. El modelo estándar es consistente hasta la energía de Planck, y no hay ninguna energía especial hasta entonces. Es lo que los científicos del LHC llaman el escenario de pesadilla. La revolución silenciosa está servida.
Esta situación tiene que llevar a una reflexión sobre cuáles deberían ser los siguientes pasos para la física de partículas. Pero esto queda para la siguiente entrega de la serie.
(1) La ausencia prolongada y la muerte se equiparan <<
(2) A lo largo de este artículo, cuando se dice física teórica, se trata de la física teórica de partículas elementales y temas afines. <<
No hay comentarios:
Publicar un comentario