El primer ciclo de funcionamiento del LHC (Run 1) nos ha dejado un hallazgo de trascendencia histórica: el descubrimiento del bosón de Higgs. Todos deseamos que en el segundo ciclo de funcionamiento (Run 2), que comienza en marzo 2015, podamos presenciar éxitos de importancia comparable. Desde el punto de vista técnico, la energía que se va a conseguir (de entrada 13 TeV, casi el doble que en el ciclo anterior) permite ser optimistas: el LHC va a adentrarse en una zona de energías desconocida, que puede depararnos sorpresas sensacionales. Al fin y al cabo, nadie sabe cómo se comporta la naturaleza a esas energías.
Desde el punto de vista teórico, hay razones muy fuertes para pensar que existe "nueva física", aún desconocida, que guarda claves esenciales sobre el funcionamiento de la naturaleza. Es menos seguro que esa nueva física vaya a ser descubierta en el segundo ciclo del LHC, aunque también en este sentido hay razones (que enseguida mencionaremos) para un moderado optimismo. Si, efectivamente, se encuentra esa nueva física, esto supondría un éxito científico aún mayor que el descubrimiento del bosón de Higgs, ya que estaríamos adentrándonos en un terreno conceptual desconocido, más allá de la frontera de nuestro conocimiento básico actual. A continuación repasamos algunos de los objetivos científicos concretos que va a abordar el LHC en el Run 2.
Bosón de Higgs
El bosón de Higgs era la última pieza por encontrar del Modelo Estándar de Física de Partículas (ME), la elegante teoría que, hasta el momento, describe perfectamente el comportamiento de todas las partículas conocidas. El bosón de Higgs es esencial para la consistencia matemática del ME. Por ejemplo, sin él no entenderíamos por qué las partículas elementales tienen masa, ni siquiera sabríamos formular esa masa de una manera matemáticamente consistente con el resto de la teoría. Su descubrimiento cierra por tanto el exitoso capítulo del ME en la historia de la física.
Sin embargo, las propiedades del bosón de Higgs aún no se han explorado de forma completa. En particular, algunas de sus interacciones más importantes aún no han sido medidas. Y las que sí lo han sido, aunque son consistentes con las predicciones del ME, presentan incertidumbres experimentales todavía importantes. Por todo ello, el LHC seguirá, en su segundo ciclo, explorando las propiedades del bosón de Higgs, afinando la precision de las medidas. La comparación de las observaciones con las predicciones teóricas jugará un papel crucial para confirmar si el bosón de Higgs es realmente la partícula predicha por el ME. Cualquier indicación en sentido contrario supondría una señal de física nueva, más allá del ME.
Por ejemplo, se ha propuesto que el bosón de Higgs podría ser en realidad una partícula compuesta, lo cual ayudaría a resolver el problema de la naturalidad que comentamos a continuación. Típicamente estos modelos de Higgs compuesto predicen que sus propiedades han de diferir respecto a las previsiones del ME, por lo que las medidas de precisión podrían poner de manifiesto el posible carácter compuesto del Higgs.
Problema de la naturalidad
A pesar de su éxito, el Modelo Estándar, y en particular la física relacionada con el bosón de Higgs, tiene aspectos insatisfactorios. No explica por qué las masas de las partículas tienen el tamaño que tienen. De hecho, las ecuaciones teóricas sugieren que de forma natural esas masas deberían ser mucho mayores. En la jerga científica esta dificultad se suele llamar el problema de la naturalidad. Una parte importante de la comunidad de física teórica considera que la resolución de este problema requiere la existencia de nueva física, con nuevas partículas cuyas masas no sean mucho mayores que la del propio bosón de Higgs. Si el argumento es correcto, existe una alta probabilidad de que esa nueva física sea puesta de manifiesto en el próximo run del LHC. Otra parte de la comunidad sospecha que el argumento de la naturalidad no es correcto. En cualquiera de los dos casos, la exploración de la zona de energía a la que va a acceder el LHC será decisiva para inclinar la balanza en un sentido u otro. Sin la aportación experimental del LHC permaneceríamos indefinidamente atascados en esta disyuntiva teórica.
Supersimetría
Una de las teorías más estudiadas de física más allá del Modelo Estándar es la llamada Supersimetría. Consiste en la hipótesis de que las ecuaciones de la física han modificarse de forma que sean invariantes bajo ciertas transformaciones matemáticas. Para que el Modelo Estándar sea supersimétrico hace falta modificarlo, incluyendo nuevas partículas. Concretamente, cada partícula de las ya conocidas debe tener asociada otra, llamada su compañera supersimétrica, con propiedades equivalentes excepto que su espín (giro intrínseco) es diferente. Por ejemplo, al electrón le corresponde el llamado s-electrón; a los quarks, los s-quarks; a los gluones (los mediadores de la interacción fuerte) los gluinos, etc. La supersimetría, además de tener ciertas propiedades teóricas muy atractivas, permite resolver de forma elegante el problema de la naturalidad. Para ello, es necesario que las partículas supersimétricas tengan, como mucho, una masa del orden de decenas de veces la masa del bosón de Higgs (que a su vez es 134 veces más pesado que un protón). Un objetivo esencial del LHC es la búsqueda de la supersimetría, es decir la producción y detección de estas nuevas partículas: s-quarks, gluinos, etc.
Dimensiones extras
Otra propuesta de física más allá del Modelo Estándar son los modelos con dimensiones espaciales extras. En este caso la hipótesis es que, además de las tres dimensiones espaciales habituales ("largo, ancho y alto") existen una o varias dimensiones espaciales invisibles para nuestros ojos porque tienen un tamaño muy pequeño. Sin embargo, esas dimensiones extras tendrían consecuencias: una partícula moviéndose en ellas (y no en las tres dimensiones convencionales) nos parecería en reposo, pero con mucha energía. Es decir, nos parecería que tendría masa y, por tanto, una partícula distinta. La detección de estas nuevas partículas certificaría la existencia de dimensiones extras, lo que sería un descubrimiento sensacional. Las dimensiones extras aparecen de forma natural en las llamadas teorías de cuerdas (formuladas para hacer la gravedad consistente con las otras interacciones), y en algunas versiones pueden resolver el problema de la naturalidad.
Materia Oscura
Existen pruebas abrumadoras de que en el universo hay mucha más materia de la que es posible observar, a simple vista o con sofisticados instrumentos. La materia ordinaria (la que forma las estrellas, los planetas, y el gas y el polvo interestelar) representa sólo un 15% de la materia total del universo. El restante 85% está constituido por un tipo de materia aún desconocido, que se ha bautizado como materia oscura, que envuelve a las galaxias y se extiende más allá de ellas, como un halo difuso. Hasta ahora sólo sabemos de su presencia gracias a los efectos gravitatorios que produce. Es un objetivo esencial de la física descubrir la naturaleza de esta misteriosa y abundante sustancia.
Muy posiblemente, la materia oscura está hecha de partículas aún desconocidas que están ahora mismo entre nosotros, atravesándonos constantemente sin que lo advirtamos. Un candidato ideal para jugar el papel de materia oscura son los llamados WIMPs (weakly interacting massive particles). Un WIMP es una partícula con una masa entre 10 veces y 1.000 veces la masa de un protón (aproximadamente), y que presenta sólo interacciones débiles o interacciones con el bosón de Higgs. Los cálculos teóricos indican que una partícula así se produciría en el universo primitivo con una abundancia adecuada para constituir la materia oscura actual.
Los WIMPs son los candidatos más estudiados hasta la fecha para la materia oscura, tanto desde el punto de vista teórico como experimental. Es habitual que las teorías propuestas para resolver el problema de la naturalidad contengan WIMPs, es decir candidatos a materia oscura. Un caso notable es el de la supersimetría, que predice la existencia de una partícula WIMP, llamada neutralino, que encaja perfectamente en el papel de materia oscura.
Un objetivo esencial del LHC es producir y detectar partículas de materia oscura, lo cual es perfectamente posible si esas partículas son precisamente WIMPs. En los choques energéticos de protones que van a tener lugar durante el segundo run del LHC podrían producirse pares de partícula/antipartícula de materia oscura (WIMPs), como ilustra la figura.
Por supuesto, la sola producción de nuevas partículas (por ejemplo neutralinos) no probaría que son los constituyentes de la materia oscura, pero si las propiedades medidas (su masa e interacción con la materia ordinaria) están en el rango adecuado para jugar ese papel, esto sería una indicación muy fuerte a su favor, y supondría un descubrimiento espectacular. En cualquier caso, el LHC va a ser extremadamente útil para delimitar el rango aceptable en el que pueden encontrarse la masa y las interacciones de las partículas de materia oscura.
Antimateria
Un misterio sin resolver es por qué en el universo hay más materia (de la están hechos casi todos lo objetos conocidos) que antimateria. Recordemos que las partículas de antimateria son prácticamente idénticas a las de la materia, excepto que sus cargas eléctricas (y otras propiedades) son exactamente opuestas. Por ejemplo, los átomos ordinarios están hechos de protones (eléctricamente positivos), neutrones (neutros) y electrones (negativos). No hay "anti-átomos" hechos de antiprotones (negativos), antineutrones (también neutros) y antielectrones (positivos), si bien todas estas antipartículas pueden ser producidas artificialmente.
La razón de esta asimetría de la naturaleza es desconocida. Para resolver este misterio es importante conocer en detalle las propiedades de la antimateria, y así descubrir las sutiles diferencias que la distinguen de la materia ordinaria. La producción y estudio de la antimateria, a las nuevas energías del segundo run, es una parte importante del programa científico del LHC.
Plasma de quarks y gluones
Los protones y los neutrones son realmente partículas compuestas de otras llamadas quarks. Los quarks están confinados dentro de los protones y los neutrones gracias a las interacciones fuertes, las cuales están mediadas por otras partículas llamadas gluones. En el universo actual, no hay quarks y gluones propagándose como partículas libres, todos ellos están confinados dentro de los protones y neutrones. Sin embargo, según los cálculos teóricos, el universo muy primitivo (sólo unas millónesimas de segundo después del Big Bang) estaba tan caliente que los quarks y los gluones estaban "desconfinados", formado una especie de sopa extraordinariamente caliente, llamada "plasma de quarks y gluones". Una parte del programa científico del LHC consiste en re-crear (a base de colisiones de núcleos pesados) aquel plasma y estudiar sus propiedades.
Alberto Casas González es investigador del Instituto de Física Teórica (IFT, UAM/CSIC).
