Tres físicos que han estado colaborando en el Área de la Bahía de San Francisco durante el último año han ideado una nueva solución a un misterio que ha asediado su campo durante más de 30 años. Este profundo rompecabezas, que ha impulsado experimentos en colisionadores de partículas cada vez más poderosos y ha dado lugar a la controvertida hipótesis del multiverso, equivale a algo que un brillante estudiante de cuarto grado podría preguntarse: ¿Cómo puede un imán levantar un clip contra la atracción gravitatoria de todo el planeta?
A pesar de su influencia sobre el movimiento de estrellas y galaxias, la fuerza de gravedad es cientos de millones de trillones de trillones de veces más débil que el magnetismo y las otras fuerzas microscópicas de la naturaleza. Esta disparidad se muestra en ecuaciones físicas como una diferencia igualmente absurda entre la masa del bosón de Higgs, una partícula descubierta en 2012 que controla las masas y fuerzas asociadas con las otras partículas conocidas, y el rango de masa esperado de estados gravitacionales de la materia aún no descubiertos.
En ausencia de evidencia del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Europa que apoye cualquiera de las teorías propuestas anteriormente para explicar esta absurda jerarquía de masas, incluida la seductora y elegante «supersimetría», muchos físicos han llegado a dudar de la lógica misma de las leyes de la naturaleza. Cada vez más, les preocupa que nuestro universo pueda ser una permutación aleatoria y bastante extraña entre incontables otros universos posibles, un callejón sin salida efectivo en la búsqueda de una teoría coherente de la naturaleza.
Este mes, el LHC lanzó su esperada segunda carrera a casi el doble de su energía operativa anterior, continuando su búsqueda de nuevas partículas o fenómenos que resolverían el problema de la jerarquía. Pero la posibilidad muy real de que no haya partículas nuevas a la vuelta de la esquina ha dejado a los físicos teóricos enfrentados a su «escenario de pesadilla».»También les ha hecho pensar.
«Es en los momentos de crisis que se desarrollan nuevas ideas», dijo Gian Giudice, físico teórico de partículas en el laboratorio del CERN cerca de Ginebra, que alberga el LHC.
La nueva propuesta ofrece un posible camino a seguir. El trío está «súper emocionado», dijo David Kaplan, de 46 años, físico teórico de partículas de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Md., que desarrolló el modelo durante un año sabático de la Costa Oeste con Peter Graham, de 35 años, de la Universidad de Stanford y Surjeet Rajendran, de 32 años, de la Universidad de California, Berkeley.
Su solución traza la jerarquía entre la gravedad y las otras fuerzas fundamentales hasta el nacimiento explosivo del cosmos, cuando, su modelo sugiere, dos variables que estaban evolucionando en tándem de repente estancadas. En ese instante, una partícula hipotética llamada «axión» encerró el bosón de Higgs en su masa actual, muy por debajo de la escala de gravedad. El axión ha aparecido en ecuaciones teóricas desde 1977 y se considera probable que exista. Sin embargo, nadie, hasta ahora, notó que los axiones podían ser lo que el trío llama «relajaciones», resolviendo el problema de la jerarquía «relajando» el valor de la masa de Higgs.
» Es una idea muy, muy inteligente», dijo Raman Sundrum, físico teórico de partículas de la Universidad de Maryland en College Park, que no participó en su desarrollo. «Posiblemente alguna versión de esa es la forma en que funciona el mundo.»
En las semanas desde que el artículo del trío apareció en línea, ha abierto «un nuevo patio de recreo» poblado de investigadores ansiosos por revisar sus debilidades y llevar su premisa básica en diferentes direcciones, dijo Nathaniel Craig, físico teórico de la Universidad de California, Santa Bárbara.
» Esto parece una posibilidad bastante simple», dijo Rajendran. «No estamos parados de cabeza para hacer algo loco aquí. Sólo quiere funcionar.»
Sin embargo, como señalaron varios expertos, en su forma actual, la idea tiene deficiencias que deberán considerarse cuidadosamente. E incluso si sobrevive a este escrutinio, podría tomar más de una década probar experimentalmente. Por el momento, dijeron los expertos, la relajación está sacudiendo las opiniones de larga data y alentando a algunos físicos a ver el problema de la jerarquía bajo una nueva luz. La lección, dijo Michael Dine, físico de la Universidad de California, Santa Cruz, y veterano del problema de la jerarquía, es «no rendirse y asumir que no seremos capaces de resolverlo.»
Un Equilibrio Antinatural
Para toda la juerga que rodeó el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, que completó el «Modelo Estándar» de física de partículas y le valió a Peter Higgs y François Englert el Premio Nobel de Física en 2013, no fue ninguna sorpresa; la existencia de la partícula y la masa medida de 125 giga-electrón voltios (GeV) coincidieron con años de evidencia indirecta. Es lo que no se encontró en el LHC lo que dejó perplejos a los expertos. No apareció nada que pudiera reconciliar la masa de Higgs con la escala de masa predicha asociada con la gravedad, que está más allá del alcance experimental a 10,000,000,000,000,000,000 GeV.
» El problema es que en mecánica cuántica, todo influye en todo lo demás», explicó Giudice. Los estados gravitacionales súper pesados deben mezclarse mecánicamente con el bosón de Higgs, contribuyendo con grandes factores al valor de su masa. Sin embargo, de alguna manera, el bosón de Higgs termina siendo liviano. Es como si todos los factores gigantescos que afectan a su masa, algunos positivos, otros negativos, pero todos con decenas de dígitos de largo, se hubieran cancelado mágicamente, dejando un valor extraordinariamente pequeño atrás. La cancelación poco probable de estos factores parece «sospechosa», dijo Giudice. «Piensas, bueno, tiene que haber algo más detrás.»
Los expertos a menudo comparan la masa de Higgs finamente afinada con un lápiz de pie en su punta de plomo, empujado de una manera u otra por fuerzas poderosas como corrientes de aire y vibraciones de mesa que de alguna manera han alcanzado un equilibrio perfecto. «No es un estado de imposibilidad; es un estado de probabilidad extremadamente pequeña», dijo Savas Dimopoulos de Stanford. Si te topabas con un lápiz de este tipo, dijo: «primero moverías tu mano sobre el lápiz para ver si había alguna cuerda que lo sujetara del techo. mirarías la punta para ver si hay goma de mascar.»
Los físicos han buscado de manera similar una explicación natural para el problema de la jerarquía desde la década de 1970, confiando en que la búsqueda los llevaría hacia una teoría más completa de la naturaleza, tal vez incluso revelando las partículas detrás de la «materia oscura», la sustancia invisible que impregna las galaxias. «La naturalidad ha sido realmente el leitmotiv de esa investigación», dijo Giudice.
Desde la década de 1980, la propuesta más popular ha sido la supersimetría. Resuelve el problema de la jerarquía postulando un gemelo aún por descubrir para cada partícula elemental: para el electrón, un hipotético «selectron,» para cada quark, un «squark,» y así sucesivamente. Los gemelos contribuyen en términos opuestos a la masa del bosón de Higgs, haciéndolo inmune a los efectos de las partículas de gravedad súper pesadas (ya que son anuladas por los efectos de sus gemelos).
Pero no hubo evidencia de supersimetría o de ideas en competencia, como «technicolor» y «dimensiones adicionales deformadas», durante la primera carrera del LHC de 2010 a 2013. Cuando el colisionador se cerró para mejoras a principios de 2013 sin haber encontrado una sola «espartícula» o cualquier otro signo de física más allá del Modelo Estándar, muchos expertos sintieron que ya no podían evitar contemplar una alternativa descarnada. ¿Y si la masa de Higgs, y por implicación las leyes de la naturaleza, son antinaturales? Los cálculos muestran que si la masa del bosón de Higgs fuera un par de veces más pesada y todo lo demás permaneciera igual, los protones ya no podrían ensamblarse en átomos, y no habría estructuras complejas, ni estrellas ni seres vivos. Entonces, ¿qué pasa si nuestro universo realmente está tan ajustado accidentalmente como un lápiz balanceado en su punta, señalado como nuestra dirección cósmica de una inconcebiblemente vasta gama de universos de burbujas dentro de un mar «multiverso» eternamente espumoso simplemente porque la vida requiere un accidente tan escandaloso para existir?
Esta hipótesis del multiverso, que se ha cernido sobre las discusiones del problema de la jerarquía desde finales de la década de 1990, es vista como una perspectiva sombría por la mayoría de los físicos. «Simplemente no sé qué hacer con él», dijo Craig. «No sabemos cuáles son las reglas.»Otras burbujas del multiverso, si existen, se encuentran más allá de los límites de la comunicación de la luz, limitando para siempre las teorías sobre el multiverso a lo que podemos observar desde dentro de nuestra burbuja solitaria. Sin forma de saber dónde se encuentra nuestro punto de datos en el vasto espectro de posibilidades de un multiverso, se vuelve difícil o imposible construir argumentos basados en multiversos sobre por qué nuestro universo es como es. «No se en qué punto nos convenceríamos,» dijo Dine. «¿Cómo lo arreglarías? ¿Cómo lo sabes?»
El Higgs y el Relaxion
Kaplan visitó el Área de la Bahía el verano pasado para colaborar con Graham y Rajendran, a quienes conocía porque los tres habían trabajado en varias ocasiones bajo Dimopoulos, que era uno de los desarrolladores clave de la supersimetría. Durante el año pasado, el trío dividió su tiempo entre Berkeley y Stanford, y las diversas cafeterías, almuerzos y heladerías que bordean ambos campus, intercambiando «fragmentos embrionarios de la idea», dijo Graham, y desarrollando gradualmente una nueva historia de origen para las leyes de la física de partículas.
Inspirados por un intento de Larry Abbott en 1984 de abordar un problema de naturalidad diferente en la física, buscaron refundir la masa de Higgs como un parámetro evolutivo, uno que pudiera «relajarse» dinámicamente a su pequeño valor durante el nacimiento del cosmos en lugar de comenzar como una constante fija, aparentemente improbable. «Aunque nos llevó seis meses de callejones sin salida y modelos realmente estúpidos y cosas muy barrocas y complicadas, terminamos aterrizando en esta imagen muy simple», dijo Kaplan.
En su modelo, la masa de Higgs depende del valor numérico de un campo hipotético que impregna el espacio y el tiempo: un campo axial. Para imaginarlo,» pensamos que la totalidad del espacio es este colchón 3D», dijo Dimopoulos. El valor en cada punto del campo corresponde al grado de compresión de los muelles de colchón. Durante mucho tiempo se ha reconocido que la existencia de este colchón, y sus vibraciones en forma de axiones, podrían resolver dos misterios profundos: En primer lugar, el campo axial explicaría por qué la mayoría de las interacciones entre protones y neutrones corren hacia adelante y hacia atrás, resolviendo lo que se conoce como el problema de «CP fuerte». Y los axiones podrían formar materia oscura. Resolver el problema de la jerarquía sería un tercer logro impresionante.
La historia del nuevo modelo comienza cuando el cosmos era un punto infundido de energía. El colchón axion estaba extremadamente comprimido, lo que hizo que la masa de Higgs fuera enorme. A medida que el universo se expandía, los manantiales se relajaban, como si su energía se propagara a través de los manantiales del espacio recién creado. A medida que la energía se disipaba, también lo hacía la masa de Higgs. Cuando la masa cayó a su valor actual, causó que una variable relacionada se hundiera más allá de cero, activando el campo de Higgs, una entidad similar a una melaza que da masa a las partículas que se mueven a través de él, como electrones y quarks. A su vez, quarks masivos interactuaron con el campo axion, creando crestas en la colina metafórica que su energía había estado bajando. El campo axial se atascó. Y también la masa de Higgs.
En lo que Sundrum llamó una ruptura radical con los modelos anteriores, el nuevo muestra cómo la jerarquía de masas de hoy en día podría haber sido esculpida por el nacimiento del cosmos. «El hecho de que hayan puesto ecuaciones a esto en un sentido realista es realmente notable», dijo.
Dimopoulos comentó el sorprendente minimalismo del modelo, que emplea en su mayoría ideas preestablecidas. «Las personas como yo que han invertido bastante en estos otros enfoques del problema de la jerarquía se sorprendieron muy felizmente de no tener que mirar muy lejos», dijo. «En el patio trasero del Modelo Estándar, la solución estaba ahí. Se necesitaron jóvenes muy inteligentes para darse cuenta de eso.
«Esto eleva el precio de las acciones del axion», agregó. Recientemente, el experimento de Materia Oscura Axion en la Universidad de Washington en Seattle comenzó a buscar las raras conversiones de axiones de materia oscura en luz dentro de fuertes campos magnéticos. Ahora, Dimopoulos dijo: «Deberíamos buscar aún más para encontrarlo.»
Sin embargo, como muchos expertos, Nima Arkani-Hamed del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, señaló que es pronto para esta propuesta. Si bien» es definitivamente inteligente», dijo, su implementación actual es descabellada. Por ejemplo, para que el campo de axiones se haya atascado en las crestas creadas por los quarks en lugar de rodarlos, la inflación cósmica debe haber progresado mucho más lentamente de lo que la mayoría de los cosmólogos han supuesto. «Agregar 10 mil millones de años de inflación», dijo. «Uno tiene que preguntarse por qué toda la cosmología se organiza solo para hacer que esto suceda.»
E incluso si se descubre el axión, eso por sí solo no demostraría que es el «relaxion», que relaja el valor de la masa de Higgs. A medida que la estancia de Kaplan en el Área de la Bahía termina, él, Graham y Rajendran están comenzando a desarrollar ideas para probar ese aspecto de su modelo. Eventualmente podría ser posible oscilar un campo axial, por ejemplo, para ver si esto afecta las masas de partículas elementales cercanas, a través de la masa de Higgs. «Se vería la masa de electrones moviéndose», dijo Graham.
Estas pruebas de la propuesta no va a suceder durante muchos años. (El modelo no predice ningún fenómeno nuevo que el LHC detectaría.) Y, de manera realista, dijeron varios expertos, enfrenta grandes probabilidades. Tantas propuestas inteligentes han fracasado a lo largo de los años que muchos físicos son escépticos reflexivamente. Aún así, el nuevo modelo intrigante está entregando una dosis oportuna de optimismo.
«Pensamos que habíamos pensado en todo y no había nada nuevo bajo el sol», dijo Sundrum. «Lo que esto demuestra es que los humanos son bastante inteligentes y todavía hay espacio para nuevos avances.»
Nota del editor: David Kaplan presenta la serie de videos en teoría de Quanta Magazine.
Este artículo fue reimpreso en Wired.com.