Experimentos físicos que podrían revolucionar el mundo como lo conocemos

El bosón de Higgs, responsable de proveer de masa a las demás partículas, es la última pieza que faltaba para cerrar el 'modelo estándar' que describe las interacciones entre todas las partículas y las fuerzas conocidas en el universo. Sin embargo, el modelo todavía podría ser equivocado.

Los científicos esperaban que el bosón de Higgs los ayudase a entender mejor nuestro universo. Lejos de ello, sembró más dudas. El bosón resultó ser justo como lo predecía el modelo estándar, mientras los físicos deseaban que fuera distinto para poder lanzar nuevas teorías basándose en la diferencia entre lo pronosticado y la realidad. 

Esperaban encontrar alguna evidencia de otras partículas extrañas para encontrar pruebas de un esquema más allá del modelo estándar, por ejemplo la teoría de supersimetría, que afirma la existencia de 'supercompañeros' pesados para todos los elementos subatómicos, incluidos los quarks, electrones y fotones.

Ahora a los científicos les urgen más datos para entender el universo y alterar la base de la física de partículas nueva. La revista 'Wired' ha seleccionado nueve experimentos destacados que podrían llevar a un auténtica revolución científica.

ATLAS y CMS

 
A pesar de que los científicos detuvieron los experimentos que se realizaban en el Gran Colisionador de Hadrones hasta el año 2015 para efectuar algunas modificiones, los dos principales detectores que buscaron la partícula de Higgs, ATLAS y CMS, ya han acumulado una cantidad abundante de información que ahora hace falta investigar. Absorbidos por esta búsqueda, los físicos no hicieron caso a las posibles evidencias de otros elementos, por ejemplo, los predichos por la teoría de la supersimetría.

No se puede detectar el propio bosón de Higgs, sino las particulas en las cuales se desintegra, por ejemplo: quark, antiquark y dos fotones. Ahora los investigadores esperan percibir la presencia de otro producto de esta desintegración, llamada 'decaimiento invisible', que hasta ahora los equipos no pueden detectar.

Los físicos opinan que el bosón de Higgs de alguna manera puede interactuar con la materia obscura, teniendo en cuenta que esta tiene masa y el bosón de Higgs abastece de masa a todas las partículas. Si la información recabada mediante el colisionador demuestra y explica la existencia de este vínculo, el 'decaimiento invisible'se convertirá en un campo extraordinario de experimentación.
 
NOvA y T2K

 
Los neutrinos son las partículas más extrañas del modelo estándar. Apenas interactúan con otros elementos subatómicos y casi no tienen masa. Se sabe que hay tres tipos de neutrinos que se distinguen por su masa: electrónico, muónico y tauónico. Lo que hasta ahora se desconoce es cuál es la masa exacta de estos, y ni siquiera sabemos qué tipo de neutrino es el más pesado y cuál es el más ligero. No obstante, los científicos están seguros de que lograrán descubrir las características extraordinarias de estos elementos en próximos experimentos.
 
Por ahora existen dos proyectos principales que buscan revelar la masa de los neutrinos y las diferencias entre sus tres tipos. La idea es disparar los rayos de neutrinos a cientos de kilómetros de distancia para intentar detectar la oscilación de los tres tipos cuando atraviesan la Tierra. Ya funciona el proyecto japonés T2K, que dispara neutrinos a una distancia de casi 300 kilómetros. El año que viene EE.UU. comenzará el experimento NOvA, que alcanzará los 810 kilometros.  

La detección directa de la materia oscura


 
Hasta ahora no sabemos qué es la materia oscura, pero los físicos no cejan en su intento de averiguarlo. Hay varías teorías sobre su naturaleza que definen métodos de investigación contrarios: mientras unos insisten en que hay que elaborar detectores más sensibles, otros dicen que hay que buscar mejor.

Uno de los detectores más finos es el llamado LUX (EE.UU.), cuyos primeros resultados aún no han logrado aclarar la situación con la materia oscura, aunque sí que han conseguido confundir un poco más a la comunidad científica. 

Por su parte varios grupos de investigadores europeos siguen intentando construir equipos adecuados para detectar la materia obscura. Entre ellos XENON y la futura colaboracion EURECA.
 
GERDA y MAJORANA

 
 
A pesar de que el modelo estándar es una teoría básica de la física actual, los últimos hallazgos han originado dudas sobre su exactitud. Los neutrinos tienen masa aunque según el modelo estándar no deben tenerla. Los físicos creen que los neutrinos pueden ser la clave para otros desajustes del modelo.

Los investigadores buscan respuesta a la pregunta de por qué el universo está compuesto por materia. Según el modelo estándar, durante la gran explosión aparecieron cantidades iguales de materia y antimateria. Son dos formas contrarias que se destruyen mutuamente, así que el universo debería de estar lleno de nada. Sin embargo, no es así.

El experimento llamado 'la doble desintegración beta sin neutrino' podría aclarar esta situación. La desintegración beta sucede cuando un neutrón (la partícula neutral del núcleo atómico) se transforma espontáneamente en un protón y un electrón, emitiendo un antineutrino. Pero el proceso puede tomar una dirección distinta si un neutrón absorbe un neutrino durante el proceso de desintegración en protón y electrón.

La doble desintegración beta sin neutrino es una situación muy rara en la que un antineutrino producido en el primer proceso es absorbido por el neutrón en el segundo. Eso podría suceder solamente si resulta que neutrinos y antineutrinos básicamente son lo mismo, es decir, un neutrino es al mismo tiempo su propia antipartícula. De ser así, entonces el mundo como lo conocemos existe porque en la etapa temprana del universo los neutrinos produjeron más partículas de materia que de antimateria.

Los primeros resultados del experimento GERDA (Italia) lograron nada más que restringir las posibilidades de la doble desintegración beta sin neutrino. Otros experimentos que buscan la posibilidad de esta desintegración son la colaboración estadounidense MAJORANA y el experimento canadiense SNO+.
 
Neutrinos extraños

 
La masa no es el único enigma de los neutrinos. Entre otros problemas por resolver está la llamada 'anomalía neutrino de reactor'. Los primeros neutrinos fueron descubiertos fluyendo de los reactores nucleares. Pero los estudios recientes revelaron que antes los investigadores no notaban las fracciones menores de neutrinos. Para investigar este proceso es necesario coraje, ya que hay que colocar los equipos muy cerca de los reactores nucleares.

Para ello investigadores de Japón y Europa se atrevieron a iniciar los experimentos CeLAND y SOX respectivamente. Esperan encontrar un nuevo tipo de neutrino, llamado el neutrino estéril.

Otro experimento, el MiniBooNE, persigue resolver otras propiedades extraordinarias de los neutrinos. La investigación aún está en curso, pero sus primeros resultados son muy prometedores.
 
Telescopio de neutrinos IceCube

 
IceCube es un observatorio ubicado en la Antártida. Se trata de un kilómetro cúbico en el que se buscan los neutrinos que fluyen hacia Tierra desde fuera del sistema solar y nuestra galaxia. IceCube fue completado en el año 2010, pero sus primeros resultados llegaron el año pasado. 

Los investigadores esperaban detectar grandes cantidades de neutrinos, pero en todo este tiempo solamente detectaron  dos. Este año detectaron un neutrino más de energía alta. Por ser tan infrecuentes, a los tres neutrinos les dieron nombre: Bert, Ernie y Big Bird respectivamente.

Investigadores creen que los neutrinos de alta energía como el Big Bird se producen por eventos cósmicos increíblemente poderosos, como los misterios estallidos de rayos gamma. Pero mientras los astrónomos detectaban estos estallidos de rayos gamma, los físicos no detectaron más neutrinos.

Los científicos llegaron a la conclusión de que es necesario construir otro telescopio en los hielos antárticos incluso más grande que el IceCube. El observatorio ARIANNA ocupará 1.000 kilómetros cúbicos.
 
Experimento Neutrino Long-Baseline 

 
Entre otros experimentos con neutrinos destaca el proyecto Long-Baseline (LBNE, por sus siglas en inglés), diseñado para resolver todos los enigmas de los neutrinos, incluida la cuestión de su masa o la búsqueda de neutrinos estériles. Los científicos estadounidenses esperan poder completar unas instalaciones para detectar las oscilaciones de los haces de neutrinos a una distancia de 1.300 kilómetros.

Sin embargo, el coste del proyecto es de 1.500 millones de dólares, por lo que se ve amenazado por los estragos de la crisis financiera de EE.UU.
 
Los colisionadores HL-LHC y ILC


 
Los científicos buscan la manera de modificar el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) para poder sacar lo máximo de sus posibilidades. Planean convertirlo en el LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC) antes del año 2020, lo que permitirá colisionar protones con tres veces más energía. También quieren aumentar la cantidad de las partículas en los haces dentro del colisionador. Estos cambios permitirán detectar más productos de la desintegración de partículas causadas por la mayor cantidad de colisiones.

Por otro lado los científicos tienen que aprender a detectar los eventos de desintegracíon extremadamente raros, a lo que se dedicarán los próximos años. Para ello planean convertir también los detectores en superCMS y superALTAS, aparte de modificar el propio colisionador. Otro proyecto ambicioso es la construcción de un nuevo colisionador de mayor tamaño, ILS, que podrá producir unas cantidades enormes del bosón de Higgs y estudiar detalladamente sus propiedades.

El objetivo de las investigaciones es poder detectar algunos productos de la desintegración de las partículas más allá de lo que había predicho el modelo estándar y de esta manera transformar este esquema y elaborar nuevas teorías. Aunque los científicos todavía buscan recursos y deciden dónde ubicarlo, planean empezar la construcción en el año 2016 y concluirla en 10 años.
 
Estudios de energía oscura

 
El descubrimiento de la materia oscura fue uno de los hallazgos más inesperados de finales del siglo pasado. Igual lo fue la idea de la expansión del universo. Ahora los científicos saben que no solamente se agranda la distancia entre estrellas y galaxias, sino que además está expansión se acelera.

Lo que hasta ahora no saben explicar es por qué se expande el universo. El estudio de la materia oscura podrá mejorar el conocimiento que tenemos. Los astrónomos empezarán con cartografía de miles de galaxias. El Estudio de Energía Oscura (DES, por sus siglas en inglés), iniciado este año obtendrá imágenes de 300 millones de galaxias y de 100.000 cúmulos de galaxias.
 
Es posible investigar cómo han cambiado los estructuras de gran escala con el tiempo ya que la luz también tiene su velocidad: cuanto más lejos se ve una estructura, tanto más lejos en el tiempo está. El estudio podría revelar cómo cambia la energía oscura en el transcurso del tiempo.

Otro proyecto que estudia la energía oscura es el telescopio de energía oscura Hobby-Eberly (HETDEX, por sus siglas en inglés), que observa las galaxias muy remotas del universo temprano.