El Modelo Estándar es una belleza. Es la teoría más rigurosa de la física de partículas, increíblemente precisa y exacta en sus predicciones. Establece matemáticamente los 17 componentes básicos de la naturaleza: seis quarks, seis leptones, cuatro partículas portadoras de fuerza y el bosón de Higgs. Estos se rigen por las fuerzas electromagnética, débil y fuerte.
«En cuanto a la pregunta «¿Qué somos?», el Modelo Estándar tiene la respuesta», dice Saúl Ramos, investigador de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). «Nos dice que cada objeto del universo no es independiente, y que cada partícula está ahí por una razón»
Durante los últimos 50 años dicho sistema ha permitido a los científicos incorporar la física de partículas en una única ecuación que explica la mayor parte de lo que podemos ver en el mundo que nos rodea.
Sin embargo, a pesar de su gran poder de predicción, el Modelo Estándar no logra responder a cinco preguntas cruciales, por lo que los físicos de partículas saben que su trabajo está lejos de haber terminado.
¿Por qué los neutrinos tienen masa?
Tres de las partículas del Modelo Estándar son diferentes tipos de neutrinos. El Modelo Estándar predice que, al igual que los fotones, los neutrinos no deberían tener masa.
Sin embargo, los científicos han descubierto que los tres neutrinos oscilan, o se transforman unos en otros, cuando se mueven. Esta hazaña sólo es posible porque, después de todo, los neutrinos no carecen de masa.
«Si utilizamos las teorías que tenemos hoy en día, obtenemos una respuesta equivocada», afirma André de Gouvêa, profesor de la Universidad de Northwestern.
El Modelo Estándar se equivocó con los neutrinos, pero queda por ver hasta qué punto. Después de todo, las masas que tienen los neutrinos son bastante pequeñas.
¿Es eso todo lo que el Modelo Estándar pasó por alto, o hay más cosas que no sabemos sobre los neutrinos? Algunos resultados experimentales han sugerido, por ejemplo, que podría haber un cuarto tipo de neutrino llamado neutrino estéril que aún no hemos descubierto.
Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova
¿Qué es la materia oscura?
Los científicos se dieron cuenta de que se les escapaba algo cuando notaron que las galaxias giraban mucho más rápido de lo que deberían, basándose en la atracción gravitatoria de su materia visible. Estaban girando tan rápido que deberían haberse destrozado a sí mismas. Algo que no podemos ver, que los científicos han denominado «materia oscura», debe estar dando masa adicional -y, por tanto, atracción gravitatoria- a estas galaxias.
Se cree que la materia oscura constituye el 27 por ciento del contenido del universo. Pero no está incluida en el Modelo Estándar.
Los científicos están buscando formas de estudiar esta misteriosa materia e identificar sus componentes. Si los científicos pudieran demostrar que la materia oscura interactúa de alguna manera con la materia normal, «todavía necesitaríamos un nuevo modelo, pero significaría que ese nuevo modelo y el Modelo Estándar están conectados», dice Andrea Albert, investigadora del Laboratorio Nacional SLAC del Departamento de Energía de EE.UU. que estudia la materia oscura, entre otras cosas, en el Observatorio Cherenkov de Agua de Gran Altitud en México. «Eso sería un enorme cambio de juego».
¿Por qué hay tanta materia en el universo?
Cuando una partícula de materia nace -por ejemplo, en una colisión de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones o en la desintegración de otra partícula-, normalmente su contraparte de antimateria viene de paseo. Cuando partículas iguales de materia y antimateria se encuentran, se aniquilan mutuamente.
Los científicos suponen que cuando se formó el universo en el Big Bang, la materia y la antimateria deberían haberse producido en partes iguales. Sin embargo, algún mecanismo impidió que la materia y la antimateria siguieran su patrón habitual de destrucción total, y el universo que nos rodea está dominado por la materia.
El Modelo Estándar no puede explicar el desequilibrio. Muchos experimentos diferentes están estudiando la materia y la antimateria en busca de pistas sobre lo que inclinó la balanza.
¿Por qué se acelera la expansión del universo?
Antes de que los científicos fueran capaces de medir la expansión de nuestro universo, suponían que había comenzado rápidamente tras el Big Bang y luego, con el tiempo, había empezado a ralentizarse. Por ello, fue una sorpresa que la expansión del universo no sólo no se estaba ralentizando, sino que se estaba acelerando.
Las últimas mediciones realizadas por el telescopio espacial Hubble y el observatorio Gaia de la Agencia Espacial Europea indican que las galaxias se alejan de nosotros a 45 millas por segundo. Esa velocidad se multiplica por cada megaparsec adicional, una distancia de 3,2 millones de años luz, en relación con nuestra posición.
Se cree que este ritmo proviene de una propiedad inexplicable del espacio-tiempo llamada energía oscura, que está empujando el universo. Se cree que constituye alrededor del 68 por ciento de la energía del universo. «Eso es algo muy fundamental que nadie podría haber anticipado simplemente mirando el Modelo Estándar», dice de Gouvêa.
Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova
¿Existe una partícula asociada a la fuerza de la gravedad?
El Modelo Estándar no fue diseñado para explicar la gravedad. Esta cuarta y más débil fuerza de la naturaleza no parece tener ningún impacto en las interacciones subatómicas que explica el Modelo Estándar.
Pero los físicos teóricos creen que una partícula subatómica llamada gravitón podría transmitir la gravedad del mismo modo que las partículas llamadas fotones transmiten la fuerza electromagnética.
«Después de que LIGO confirmara la existencia de las ondas gravitacionales, ahora nos preguntamos: ¿Cuál es la onda gravitacional más pequeña posible? Esto es más o menos como preguntarse qué es un gravitón», dice Alberto Güijosa, profesor del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM.
Más por explorar
Estos cinco misterios son las grandes preguntas de la física en el siglo XXI, dice Ramos. Sin embargo, hay enigmas aún más fundamentales, dice: ¿Cuál es el origen de la geometría del espacio-tiempo? ¿De dónde obtienen las partículas su giro? ¿Por qué la fuerza fuerte es tan fuerte mientras que la fuerza débil es tan débil?
Queda mucho por explorar, dice Güijosa. «Aunque acabemos teniendo en nuestras manos una teoría final y perfecta de todo, seguiríamos realizando experimentos en diferentes situaciones para ampliar sus límites».»
«Es un ejemplo muy clásico del método científico en acción», dice Albert. «Con cada respuesta vienen más preguntas; nunca hay nada hecho».