Esas maravillosas partículas – 18/22 – Los bosones X e Y

El artículo de hoy de la serie Esas maravillosas partículas es el primero en abandonar el Modelo Estándar de partículas subatómicas. Como recordarás si has seguido la serie, el bosón de Higgsaún no ha sido detectado, pero incluso esa elusiva partícula está dentro del Modelo. En la entrega de hoy vamos más allá.

¿Por qué ir más allá del Modelo Estándar, si funciona tan bien y ha predicho tantas partículas observadas? Existen varias razones para hacerlo, pero de lo que pocos dudan es de que el Modelo Estándar es sólo una parte de una teoría más completa que aún está por llegar. Entraremos en eso dentro de un momento. Sin embargo, la cuestión es que una gran parte de las teorías que pretenden ir más allá del Modelo Estándar tienen algo en común: predicen, al contrario que este modelo, que el protón no es una partícula estable.

De acuerdo con muchas de esas teorías, la desintegración de un protón requiere la existencia de bosones nuevos, que no existen en el Modelo Estándar (y que, desde luego, no han sido observados). El artículo de hoy nos llevará desde los primeros tientos para ir más allá del Modelo hasta la propia desintegración del protón y los bosones X e Y.

La primera razón por la que es muy posible que el Modelo Estándar no sea la “teoría última” en física de partículas es la propia naturaleza de cualquier modelo teórico: observamos el mundo a nuestro alrededor, creamos teorías que tratan de explicar lo que vemos y predecir cosas que no podríamos sin esas teorías y, finalmente, tratamos de observar lo que la teoría predice. De modo que un modelo depende mucho de lo que somos capaces de ver cuando lo creamos.

Aunque actualmente estamos trabajando en aceleradores de partículas más poderosos que cualquier cosa que hayamos construido hasta ahora, como el LHC, y hay planes para construir detectores más sensibles que lo que hubiéramos podido imaginar, como el Hyper-Kamiokandé, nuestras teorías actuales han sido creadas a partir de lo que hemos podido ver hasta ahora: las partículas provenientes de los rayos cósmicos (y sus desintegraciones en la atmósfera) y fuentes estelares, y las partículas que existen en la materia que observamos y podemos crear en aceleradores. Pero todo esto tiene un límite de energías.

Por ejemplo, el acelerador de partículas más potente del que disponemos ahora mismo es el Tevatrón del Fermilab, capaz de acelerar protones hasta una energía de 1 TeV (un billón de electronvoltios). Esto quiere decir que cualquier fenómeno que aparezca, por ejemplo, cuando la energía de las partículas es de 100 Tev, es algo desconocido para nosotros. No sólo probablemente no lo hemos tenido en cuenta al crear nuestras teorías actuales: sería imposible comprobar si esas teorías lo predicen correctamente o no, porque no podemos observarlo.

El LHC será capaz de acelerar protones y antiprotones hasta unos 7 TeV, y se cree que a esas energías podremos llegar a detectar el bosón de Higgs, pero aún no sabemos qué sucederá a energías mayores. Por ejemplo, varias teorías predicen que para energías enormes (casi un billón de TeV) las fuerzas débil, electromagnética y fuerte se combinan para formar un único campo (algo que no predice el Modelo Estándar). E incluso muchas de esas teorías no tienen idea de qué puede sucederle a la fuerza gravitatoria a esas energías.

Pero si el LHC acelera partículas a energías inconcebibles para nosotros, y estos nuevos fenómenos se producirían a energías casi un billón de veces superiores, ¿por qué preocuparnos de ello? ¿No es algo tan lejano a lo que existe en el Universo que no tiene importancia?

En absoluto. Si queremos entender realmente cómo es el Universo, tiene toda la importancia del mundo.

La cuestión es que esas energías son gigantescas ahora, pero no lo fueron muy cerca del Big Bang: y todo lo que vemos ahora proviene de lo que sucedió entonces. De modo que muchas de las explicaciones sobre por qué las cosas son como son ahora requieren entender cómo fueron las cosas cuando la propia naturaleza de las interacciones fundamentales era totalmente distinta de la que es ahora.

Además, el Modelo Estándar no explica (ni trata de hacerlo, pues es hijo de la cromodinámica cuántica y la teoría electrodébil, que se restringen a las fuerzas débil, electromagnética y fuerte) la gravedad. Es decir, somos plenamente conscientes de que no tenemos una teoría cuántica de la gravedad, y de que las formulaciones actuales de ambas teorías no encajan matemáticamente, de modo que nadie duda de que nos falta mucho por hacer – y para hacerlo hace falta ir más allá del Modelo Estándar.

No sólo esto: existen cosas que sí hemos observado ya y que son difíciles de explicar mediante el Modelo Estándar. Una de ellas es la abundancia de materia respecto a la antimateria en el Universo. Sí, hay algo de antimateria, pero muy, muy poca. De acuerdo con el Modelo Estándar, una de las leyes de conservación en el Universo es la del número bariónico, que es igual al número de quarks menos el número de antiquarks, dividido por tres:

Al dividir por tres, el número bariónico del protón es B = 1, mientras que el del antiprotón es -1. De este modo, es posible hacer chocar un protón con un antiprotón (B total = 1 - 1 = 0) y obtener partículas con B = 0, como electrones o fotones. Pero un solo protón, al tener B = 1, nunca podrá desintegrarse en “cosas que no sean bariones”, pues B tiene que seguir siendo 1. Dicho en términos más simples: un barión no puede convertirse únicamente en cosas que no son bariones ni al revés.

De modo que si hubo un tiempo en el que no había bariones, es lógico pensar que en el Universo en total, si sumamos todos los números bariónicos deberíamos obtener un 0 como una catedral. Por ejemplo, si hay una barbaridad de protones, debe haber una barbaridad exactamente igual de antiprotones, para que B total = 0. Pero esto no es así ni en broma.

De hecho, apenas hay antimateria en el Universo comparada con la materia –salvo que, por supuesto, no hayamos podido detectarla por alguna razón–. Por cierto, esto no requiere que en el instante inicial hubiera muchos protones y muy pocos antiprotones, con un poquito de desequilibrio basta: si los pares protón-antiprotón generados se aniquilasen al principio, el pequeño exceso de materia “normal” que quedaría podría haberse convertido en toda la materia que vemos hoy en día.

Sólo hace falta que existieran 10.000.000.001 protones por cada 10.000.000.000 antiprotones para que la relación materia/antimateria/radiación que observamos hoy sea como es. Pero 10.000.000.001 ≠ 10.000.000.000, y las leyes de conservación en física no son “más o menos”.

Esta asimetría inicial entre materia y antimateria, que posiblemente produjo los bariones que vemos hoy (y que haya tan pocos antibariones) se denomina bariogénesis, y es muy difícil de explicar si se acepta la conservación del número bariónico. Es decir, hay dos opciones:

El número inicial de bariones y antibariones no era el mismo en el origen del Universo. B ≠ 0 desde el principio.
El número bariónico no se conserva. B = 0 al principio, pero ahora B ≠ 0.
Lo mismo sucede con el número leptónico L, que se define de manera parecida a B, como la resta del número de leptones menos el número de antileptones:

Así, un fotón (L = 0) puede dar lugar a un par electrón/positrón (L = 1 y L = -1, luego L total = 1 - 1 = 0). Pero, una vez más, si L = 0 en el Big Bang, ¿por qué hay tantos electrones y tan pocos positrones? Y si L ≠ 0 en el Big Bang, ¿por qué no se conserva L desde antes del Big Bang, cuando no había leptones ni antileptones?

Existen muchas posibles explicaciones de la bariogénesis/leptogénesis, unas más esotéricas que otras. Algunas de las más sólidas son las que he mencionado antes, las que predicen una unificación de las fuerzas electromagnética-débil-fuerte para altas energías. Estas teorías suelen denominarse Teorías de Gran Unificación, TGUs o GUTs (en inglés). Algunas de las TGUs más populares son el Modelo de Georgi-Glashow, el de Pati-Salam, la Teoría de Heim, el modelo 331, la Trinificación (sí, sí, menudo nombrecito), etc.

En muchas TGUs no se conservan ni B ni L, sino que se conserva un número combinado de los dos: B-L, es decir, la resta de B menos L. Lo más importante de esto es que, según estas teorías, es posible convertir bariones en leptones y viceversa: un protón (B = 1, L = 0) podría convertirse, por ejemplo, en un pión (B = 0, L = 0) y un positrón (B = 0, L = -1), de modo que al principio B-L = 1, y al final B-L = -(-1) = 1, de modo que se conserva B-L pero no se conservan ni el número bariónico ni el leptónico.

El problema que tienen todas estas teorías es que son dificilísimas de comprobar experimentalmente precisamente por lo que he mencionado al principio sobre el Modelo Estándar: a energías “normales” son indistinguibles experimentalmente de él en prácticamente nada, y aún no hemos llegado a disponer de partículas tan energéticas que muestren si se comportan según alguna de estas teorías o no.

¡Ah! Pero la no conservación de B ni L hace que la mayor parte de estas teorías predigan un hecho experimental comprobable “en el Universo normal” que el Modelo Estándar prohibe terminantemente: la desintegración del protón.

En efecto, según muchas de las TGUs el protón no es una partícula estable. Como recordarás de la entrada sobre el neutrón, el Modelo Estándar le da una vida media de unos minutos cuando es libre, pero dentro del átomo es estable. Sin embargo, el protón es estable de ambas formas. Bien, según estas TGUs ninguno de esos dos bariones es estable de ninguna manera: el neutrón libre tiene, como en el Modelo Estándar, una vida media de unos minutos, pero tanto el protón libre como el que está en un átomo como el neutrón en el átomo, al cabo del tiempo, se desintegran.

¿Por qué no vemos entonces los protones y neutrones de los átomos a nuestro alrededor desintegrándose? ¡Fueron creados hace unos catorce mil millones de años! Han tenido tiempo de sobra para haber desaparecido ya, convertidos por ejemplo en piones y positrones, ¿no?

Pues no. Ninguna de esas teorías predice una vida media para el protón de unos minutos, ni de unas horas, ni de unos años, ni siquiera de unos cuantos millones de años. Aunque el número concreto varía, se trata de vidas medias de unos 10 a la 36 años. Y se estima que el Universo lleva existiendo “tan sólo” unos 1,4·10 a la 10 años. Según estas teorías, un protón podría existir sin desintegrarse desde el Big Bang hasta hoy, volver a hacerlo de nuevo, y de nuevo, y de nuevo, viviendo toda la vida del Universo una y otra vez… y así 10 a la 27 veces antes de desintegrarse. Es apabullante.

Dicho de otra manera, es posible que todos los protones y neutrones sean inestables pero que aún no les haya dado tiempo a desintegrarse. Suena raro, pero así es: y, una vez más, hace difícil comprobar si esas teorías son ciertas, salvo que nos sentemos mirando a un protón durante 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 años. Los físicos tienen paciencia, pero no tanta.

Las buenas noticias son que 1036 años es la vida media. Siempre existe la posibilidad de que un protón se desintegre a los diez minutos de existir, aunque es una probabilidad casi nula. Y la cosa mejora si no miramos un protón, sino dos: entonces la probabilidad de que uno se desintegre al cabo de cierto tiempo es el doble que si sólo miramos uno. Si son diez protones, la probabilidad es diez veces mayor, etc.

De modo que los científicos han hecho justo eso: observar cantidades ingentes de protones durante mucho tiempo. De ese modo se aumenta la probabilidad de que alguno de ellos se desintegre mientras lo miramos y comprobemos si esas teorías son ciertas o no. El mayor intento de este tipo es el detector de partículas Super-Kamiokandé, del que hemos hablado con anterioridad. El Super-Kamiokandé no ha observado una sola desintegración de un protón, y de hecho ahora mismo ni siquiera se utiliza para eso, sino para estudiar neutrinos, pero eso no quiere decir que los protones no se desintegren.

El Super-Kamiokandé, con su enorme piscina de agua (que los físicos que lo utilizan ven como “piscina de tropecientos protones”) habría detectado la desintegración de los protones a partir de la radiación de Cherenkov: tiene una multitud de fotodetectores que hubieran determinado la intensidad y la dirección de la radiación de Cherenkov producida por las partículas muy energéticas en las que se hubiera desintegrado el protón, y a partir de las medidas de esos fotodetectores se hubiera podido confirmar la desintegración incluso de un único protón.

Cada uno de los fotodetectores del Super-Kamiokandé es como un ojo de una extraordinaria sensibilidad, observando sin descanso el agua de la gigantesca piscina durante años, esperando el leve destello de la radiación de Cherenkov producida por la desintegración de algún protón. Observando año tras año, sin que ese destello se produzca.

El hecho de que no se haya detectado ninguno establece un límite inferior para la vida media del protón de 1035 años. Es decir, ni confirma ni elimina las TGUs que predicen 1036 años. Hace falta un detector con más protones (es decir, más agua) y mejores fotodetectores para ir más allá: si logramos, por ejemplo, fijar el mínimo de vida media en 1040 años, la mayor parte de las TGUsactuales se van al garete, mientras que si se detecta la desintegración de un protón, el Modelo Estándar queda obsoleto y la cosa se pone realmente interesante.

Existen planes para construir un detector diez veces mayor que el Super-Kamiokandé, el Hyper-Kamiokandé. Si finalmente se construye, esperamos que pueda hacer que nos decantemos por una u otra opción respecto a la bariogénesis.

De confirmarse la desintegración del protón y estas TGUs, harían falta nuevas partículas en nuestros modelos: hasta ahora, las únicas dos maneras en las que un leptón (por ejemplo, un electrón) y un barión (por ejemplo, un protón) podían interaccionar era mediante la gravitación (que no aparece en el Modelo Estándar) o mediante la fuerza electromagnética. Cuando un barión se desintegraba, como en el caso de un neutrón libre, lo hacía –entre otras cosas– en otros bariones, y las partículas intermediarias eran las responsables de la interacción débil, los bosones W y Z.

Pero si un protón o un neutrón pueden desintegrarse en cosas que no son bariones –como predicen estas TGUs– hacen falta partículas nuevas que intermedien en la desintegración de bariones en leptones, en vez de bariones en bariones: algo así como los “bosones W y Z” pero de un nuevo tipo de interacción fuera del Modelo Estándar. Estos nuevos bosones son los bosones X e Y. ¿Quién ha dicho que los físicos siempre son originales nombrando cosas?

Estas partículas, desde luego, son hipotéticas. Su existencia depende básicamente de si el protón se desintegra o no. Y algunas de sus propiedades dependen de la vida media del protón; bueno, mejor dicho, la vida media del protón puede ser deducida en parte de las propiedades de los bosones X e Y, de modo que si medimos esa vida media podemos inferir algunas de ellas.

De lo que no cabe duda es de que, de existir, son partículas de una masa gigantesca (más o menos un trillón de veces la masa del electrón), muy inestables y de un alcance minúsculo. Si no fuera así, las veríamos y los protones se desintegrarían a un ritmo que podríamos detectar sin ningún problema. Pero, de existir, permitirían que el Universo que vemos tenga tanta materia y tan poca antimateria – lo cual supone, por ejemplo, que existamos nosotros, pues si hubiera un equilibrio absoluto entre ambas, el Universo sería probablemente sólo radiación y no habría átomos ni, evidentemente, nadie que escribiese ni leyese este artículo.

Vamos, que de ser las TGUs ciertas, si los bosones X e Y no existieran no estarías ahí leyendo esto, pues la materia y la antimateria se habrían aniquilado mutuamente hace mucho tiempo. Pero si los bosones X e Y fueran menos pesados de lo que son, los protones y neutrones se habrían desintegrado hace mucho tiempo y tampoco estarías aquí.

Es decir, que es posible que la razón de que estés leyendo esto ahora mismo sea la existencia de los bosones X e Y con las propiedades que tienen. Irónicamente, de existir suponen que, inevitablemente, todos y cada uno de los protones y neutrones del Universo mueran algún día. De una manera o de otra, existimos en un lugar y un momento efímeros y afortunados en el Universo. Visto así, el Principio Antrópico no parece ninguna tontería.

En la próxima entrega de la serie, la materia oscura.