Partículas masivas inesperadas cuestionan el modelo estándar de la física de partículas

El pasado 29 de octubre, el archivo de publicaciones científicas arXiv publicó un artículo en el que investigadores del llamado Collider Detector (CDF) del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) de Estados Unidos, explicaban la aparición de unas misteriosas partículas dentro del acelerador circular de partículas Tevatron, uno de los mayores aceleradores de partículas del mundo.

La revista Nature explica que el efecto de dichas partículas extrañas se habría registrado en casi 100.000 casos, los suficientes como para considerar que su aparición se deba a un evento fortuito. En algunos experimentos físicos, se registran datos o señales extrañas, pero resulta inusual que un efecto raro persista.

Los científicos tratan ahora de comprender la aparición de estos “visitantes fantasmagóricos”, explica uno de los físicos implicados en las pruebas del Tevatron, Tommaso Dorigo, de la Universidad de Padua, en Italia, cuyo blog está lleno de alusiones a este hecho.

Puede haber sorpresas

El CDF está diseñado para encontrar partículas exóticas, raras veces vistas en la naturaleza. La detección de partículas en los experimentos físicos de alta energía no se puede realizar directamente, sino que consiste en rastrear los restos que dejan dichas partículas cuando los haces colisionan dentro de los aceleradores, descomponiéndose.

Analizando las trayectorias de las partículas que salen despedidas tras la colisión, los físicos pueden inferir cuáles son las características de dichas partículas producidas. Las colisiones del CDF se producen dentro de un “canal de haces” de energía de 1,5 centímetros de ancho, que encierra a protones y antiprotones (protones cargados negativamente).

Todo este proceso funciona y permite conocer qué partículas surgen gracias a un conjunto muy preciso de ecuaciones conocido como “modelo estándar de física de partículas”, que es la teoría que describe de manera conjunta tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, a través de las cuales interaccionan las partículas elementales que componen toda la materia.

De hecho, este modelo permite a los científicos comprender qué sucede en el centro del CDF con una gran exactitud. A pesar de todo, parece que aún puede haber sorpresas.

Excedente de muones

En concreto, lo que desconcierta a los físicos del CDF es un excedente de muones registrado por el detector del Tevatron. El muón es una partícula diminuta cuya carga eléctrica es negativa, y su masa es unas 200 veces mayor que la del electrón.

Los muones son uno de los subproductos más comunes de las colisiones entre haces, pero el resultado de éstas en el CDF ha dado un número “mucho mayor de lo esperado” de descomposiciones productoras de exceso de muones.

Por otro lado, y según publica la revista Newscientist, a los investigadores también les ha sorprendido que algunos de estos muones “extra” parecen haber sido creados fuera del “canal de haces”, sin dejar rastro alguno en la capa interior del detector de partículas.

Durante meses, los físicos han intentado comprender a qué se debe este fenómeno, al que califican “sin sentido” e imposible de explicar utilizando el modelo estándar de física de partículas. Finalmente, han optado por publicar los datos para que otros físicos los puedan estudiar y se abra un debate al respecto.

Posibles explicaciones

Mientras el equipo del CDF se resiste a especular, otros físicos comienzan a hacerlo. Si la señal registrada como exceso de muones no es ficticia, esto significaría que una partícula desconocida, con un tiempo de vida de aproximadamente 20 picosegundos (un picosegundo es la billonésima parte de un segundo), habría recorrido alrededor de un centímetro, de un lado a otro del flanco del canal de haces, y después se habría descompuesto en muones.

Según los científicos, un centímetro es un largo recorrido para la mayoría de las partículas antes de descomponerse, por lo que dar con una partícula de tan “larga vida” sería un gran descubrimiento.

Las teorías que se están lanzando son las siguientes, según Nature y Newscientist: Por un lado, algunos físicos afirman que los muones excedentarios podrían proceder de la descomposición de una partícula pesada, aún no descubierta, quizá relacionada con la llamada materia oscura, una clase de materia hipotética, de composición desconocida, objeto de estudio de la astrofísica y la cosmología que, según se cree, podría constituir el 85% del universo.

Otra posibilidad que manejan los físicos teóricos procede de la Teoría de Cuerdas, un modelo fundamental de la física que señala la existencia de branas de siete dimensiones habitadas por partículas exóticas que se manifiestan como cuerdas. Estas branas albergarían partículas que interactuarían ligeramente con nuestro mundo tridimensional creando una leve, aunque detectable, señal en los datos recopilados en el CDF. Estudios ulteriores quizá puedan desvelar la respuesta.