METROLa física moderna se enfrenta a algunos extremos de escala verdaderamente sorprendentes. La cosmología revela a la Tierra como un pequeño punto en medio de un universo observable de unos impresionantes 93 mil millones de años luz de diámetro. Mientras tanto, los colisionadores de partículas actuales exploran un mundo microcósmico miles de millones de veces más pequeño que el átomo más pequeño.
Estos dos extremos, la distancia mayor y la menor investigadas por la ciencia, están separados por 47 órdenes de magnitud. Es un número seguido de 47 ceros, un número tan ridículamente grande que no vale la pena intentar entenderlo. Y, sin embargo, a pesar de explorar distancias y fenómenos tan radicalmente diferentes, la cosmología y la física de partículas están profundamente vinculadas. La observación de los movimientos de estrellas y galaxias puede revelar la influencia de partículas aún no descubiertas, mientras que el estudio de partículas fundamentales en el laboratorio puede informarnos sobre el nacimiento y la evolución del cosmos.
Curiosamente, ambas disciplinas están lidiando con resultados inexplicables que pueden indicar la existencia de una nueva fuerza de la naturaleza. Si se confirmara una fuerza tan nueva, las implicaciones para nuestra comprensión del universo, su historia y composición serían profundas.
Hay cuatro fuerzas que ya conocemos. La gravedad gobierna las escalas más grandes, organizando los planetas en sus órbitas y dando forma a la evolución del universo en su conjunto. La fuerza electromagnética da lugar a una amplia gama de fenómenos, desde el campo magnético de la Tierra hasta las ondas de radio, la luz visible y los rayos X, al tiempo que mantiene unidos a los átomos, las moléculas y, por extensión, el mundo físico. En lo profundo del núcleo atómico emergen otras dos fuerzas: la “fuerza fuerte” parecida a un vicio que une los núcleos atómicos y la “fuerza débil” que, entre otras cosas, causa la desintegración radiactiva y permite reacciones nucleares que alimentan al Sol y a la Tierra. el sol.
El estudio de estas fuerzas ha transformado nuestra comprensión de la naturaleza y ha generado nuevas tecnologías revolucionarias. Los trabajos sobre electromagnetismo en el siglo XIX nos dieron la dinamo eléctrica y las transmisiones de radio, el descubrimiento de fuerzas fuertes y débiles en la década de 1930 condujo a la energía nuclear y las bombas atómicas, mientras que la comprensión de la gravedad hizo posible colocar astronautas en la Luna y desarrollar satélites GPS que puede indicarnos nuestra ubicación en cualquier lugar de la Tierra con una precisión de unos pocos metros. Descubrir una quinta fuerza sería todo un premio.
Durante la última década se han ido acumulando indicios de que los físicos podrían estar a punto de lograr tal avance. El primer tramo de evidencia proviene de experimentos de física de partículas aquí en la Tierra, cuyos resultados parecen entrar en conflicto con nuestra mejor teoría actual de partículas fundamentales, el Modelo Estándar.
A pesar de su nombre poco inspirador, el Modelo Estándar es uno de los mayores logros intelectuales de la humanidad, lo más cerca que hemos estado de una teoría del todo, y ha superado casi todas las pruebas experimentales con gran éxito. Al menos hasta ahora.
Sin embargo, el experimento BaBar en California, el experimento Belle en Japón y el experimento LHCb en el Cern han descubierto partículas fundamentales exóticas conocidas como «quarks de belleza» que se comportan de manera que van en contra de las predicciones del modelo estándar. Mientras tanto, en las afueras de Chicago, el experimento Muon g-2 del Fermilab ha estado ocupado estudiando otro tipo de partícula fundamental llamada muón, descubriendo que emite un campo magnético ligeramente más fuerte de lo esperado.
Las explicaciones más interesantes para estas anomalías involucran fuerzas de la naturaleza previamente desconocidas que alteran sutilmente la forma en que los bonitos quarks se transforman en otras partículas o interfieren con el magnetismo del muón. Esta nueva fuerza podría ayudar a desbloquear una estructura más profunda en la base de la realidad, explicando por qué tenemos las partículas fundamentales que tenemos en la naturaleza. Otra posibilidad tentadora es que podría funcionar como vínculo con el “universo oscuro” invisible, hecho de materia oscura invisible.
Dicho esto, por ahora el panorama general sigue siendo frustrantemente confuso. Hace poco más de un año, nuevos resultados del LHCb arrojaron un jarro de agua fría sobre las perspectivas de un gran avance, después de que se encontraran sesgos faltantes en algunas de las mediciones anteriores. Sin embargo, los teóricos han debatido hasta qué punto el muón debería ser realmente magnético, dejando abierta la posibilidad de que esta anomalía se deba a un problema de cálculo.
Quizás la evidencia más convincente de una nueva fuerza actuando en el universo proviene del otro extremo de la escala cósmica. En los últimos años, la cosmología se ha visto sacudida por lo que se conoce como la “crisis del Hubble”, un dramático desacuerdo sobre la rapidez con la que se está expandiendo el Universo.
Según la historia cosmológica aceptada, el universo tal como lo conocemos comenzó con el big bang hace unos 13.800 millones de años y se ha ido expandiendo desde entonces, con las galaxias cada vez más separadas a medida que se extiende el espacio entre ellas. Los cosmólogos tienen dos formas de determinar la rapidez con la que se expande el espacio. Uno implica estudiar una serie de galaxias distantes a través de telescopios y luego determinar la relación entre su distancia y la rapidez con la que parecen alejarse de nosotros. El otro explota mapas extraordinariamente precisos de la tenue luz de la bola de fuego del Big Bang –conocida como la “base cósmica de microondas”– para inferir las propiedades del universo naciente. Luego aplicas la teoría cosmológica actual para hacer avanzar el reloj y predecir qué tan rápido debería expandirse el universo hoy.
El hecho de que estos dos métodos den respuestas diferentes es la evidencia más sólida que tenemos de que hay más en el Universo de lo que hemos imaginado hasta ahora. Las posibilidades son abundantes. Una propuesta popular implica una forma de energía que hizo que el universo se expandiera incluso más rápidamente de lo que se pensaba poco después del Big Bang. Otros involucran «fuerzas oscuras» que actúan en el mundo oculto de la materia oscura. Algunos incluso han propuesto que la gravedad misma se comporta de manera diferente en los vastos espacios entre galaxias.
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No está claro cómo terminará la historia de estas anomalías. Pero la gran cantidad de evidencia emergente sugiere que la física puede estar en la cúspide de algo grande. El descubrimiento de una nueva fuerza marcaría el comienzo de una nueva era de exploración, quizás ofreciendo una comprensión más profunda de los componentes básicos de la naturaleza, o abriendo la puerta a un vasto y desconocido reino oscuro que, a pesar de ser invisible, contiene 95 % de todo lo que existe. Estos avances siempre cuestan mucho, pero seguir el rastro de la naturaleza pronto podría conducir a una visión nueva y profunda del universo.
Harry Cliff es el autor de Rarezas espaciales: las misteriosas anomalías que desafían nuestra comprensión del universo (Picador).
Otras lecturas:
Agujeros blancos: dentro del horizonte por Carlo Rovelli (Allen Lane, £ 14,99)
El fin de todo: (astrofísicamente hablando) por Katie Mack (Pingüino, £ 10,99)
El elefante en el universo: nuestra búsqueda de cien años de materia oscura por Govert Schilling (Belnap, £ 24,95)
