¿Existen teorías alternativas al modelo de partículas estándar?



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Prueba de un acelerador en el laboratorio europeo de física de partículas en Ginebra en 1997.
Prueba de un acelerador en el laboratorio europeo de física de partículas en Ginebra en 1997.

Sería más apropiado hablar de extensiones del modelo estándar que de alternativas. Si hablamos de alternativas, queremos decir que creemos que el modelo estándar es incorrecto, pero no lo es. El modelo estándar de física de partículas es muy exitoso y claramente incompleto. Ha sido capaz de hacer predicciones muy precisas sobre el comportamiento de las partículas fundamentales, pero no responde a algunas de las preguntas más profundas sobre el universo.

Lo que nos dice el modelo estándar es que todo el universo está formado por unos pocos bloques de construcción básicos que son las partículas fundamentales que están gobernadas por cuatro fuerzas fundamentales. Sin embargo, el modelo estándar solo nos permite describir tres de estas fuerzas, lo que ya es una limitación. Pero al mismo tiempo funciona porque nos permite explicar muy bien lo que observamos y la mayoría de los resultados experimentales.

Lo que nos dice el modelo estándar es que todo el universo está formado por unos pocos bloques de construcción básicos que son las partículas fundamentales que están gobernadas por cuatro fuerzas fundamentales.

El Modelo Estándar es una teoría desarrollada a principios de la década de 1970 y ha sido perfeccionada en los años posteriores para establecerse hoy como una teoría física bien probada. No solo hace muchas predicciones correctas, sino que también nos ha llevado a nuevos descubrimientos. Por ejemplo, en 2012, encontramos el bosón de Higgs, la última pieza del rompecabezas predicha por el modelo.

Un problema con el modelo es que incluye solo tres de las cuatro fuerzas fundamentales: electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte. No incluye la gravedad, que es lo que mejor conocemos porque es la que más nos afecta en la vida cotidiana. Pero es muy difícil encajarlo cómodamente en el modelo estándar. Esto se debe a que la teoría cuántica que describe el mundo microscópico, es decir, las partículas elementales, y la teoría general de la relatividad que usamos para describir el mundo macroscópico, es decir, el mundo real, son muy difíciles de encajar en un solo marco de una manera matemáticamente compatible. Aunque en realidad cuando analizamos la física de partículas a menor escala el efecto de la gravedad es tan débil que es insignificante. Es por eso que el modelo estándar funciona tan bien a pesar de no incluir la gravedad.

Una de las cuestiones más importantes que el modelo estándar no da una respuesta satisfactoria por el momento es la física de los neutrinos.

Una de las preguntas más importantes que el Modelo Estándar no da una respuesta satisfactoria en este momento es la física de neutrinos. Según el modelo estándar, los neutrinos son partículas sin masa. Pero no es así. Gracias a los experimentos sabemos que tienen masa y que es muy pequeña. Entonces necesitamos una extensión del modelo que explique cómo se origina su masa.

También hemos descubierto el problema de la materia oscura en observaciones astrofísicas y cosmológicas. Gracias a estas observaciones sabemos que el modelo estándar explica solo alrededor del 5% del contenido total del universo en términos de energía y materia. Pero las observaciones nos dicen que el 27% debe estar compuesto por materia oscura que interactúa gravitacionalmente con el resto de la materia y no se puede ver. El modelo estándar no proporcionó partículas que pudieran ser un buen candidato para la materia oscura. Pero esto es solo parcialmente cierto porque, debido a sus características, los neutrinos constituyen una pequeña parte de la materia oscura. Pero para explicar todo necesitamos una nueva partícula.

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Existen otras limitaciones del modelo, aunque pueden deberse simplemente a algo que no entendemos completamente. Uno de ellos es la simetría materia-antimateria. El universo está hecho básicamente de materia. Sin embargo, podría pensar que al principio, cuando se formó, la materia y la antimateria deberían haberse producido en cantidades casi iguales. Aunque esto no es lo que observamos porque la antimateria es muy, muy pequeña. Y el modelo estándar no nos da ninguna explicación del origen de esta asimetría.

Y otro problema está relacionado con la energía oscura, o realmente para responder a la pregunta de por qué se está acelerando la expansión del universo. Debería estar relacionado con la energía oscura, que debería representar aproximadamente el 68% del cosmos, pero de la que sabemos muy poco. Y esto ni siquiera se explica por el modelo estándar.

Estos son problemas de observación. También hay otras características del modelo estándar que se agregan ad hoc y que pueden implicar una falta de comprensión por nuestra parte. Hay muchas extensiones, teorías y modelos propuestos que intentan abordar uno o más de estos problemas. En mi caso, mientras trabajo en física de neutrinos y materia oscura, lo que suelo estudiar son extensiones del modelo estándar que explican la masa de neutrinos, por lo que generalmente necesitamos introducir nuevas partículas que no están en el modelo. En ocasiones estas nuevas partículas también tienen las características de ser buenas candidatas a la materia oscura y así nos permiten resolver dos de los límites del modelo estándar al mismo tiempo.

Valentina De Romeri Es doctora en Física de Partículas y Astrofísica e investigadora del Instituto de Física Corpuscular (CSIC-Universitat de València).

Pregunta enviada por correo electrónico desde Maximiliano Aguilera Echevarria

Coordinación y redacción: Victoria Toro

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