Pilar Hernández: “Esto es solo el principio de un descubrimiento que transformará nuestra comprensión del Universo”

Entrevistamos a Pilar Hernández Gamazo para conocer el alcance del “caso muon”, la partícula que ha puesto en jaque las bases de la física. «Esto es solo el principio de un descubrimiento que transformará nuestra comprensión del Universo», dice la experta. 

Pilar Hernández tiene algo singular. Pertenece al selecto grupo de seres humanos que conocen todo lo que se conoce sobre las partículas más desconocidas del Universo.

A veces llamadas “fantasmas”, partículas que rozan la nada, que proceden del cosmos y nos atraviesan a razón de millones por milímetro cuadrado de piel. Partículas tan ridículamente diminutas que los ácaros que viven en nuestras pestañas son desmesurados gigantes a su lado.

A veces saltan a los titulares de la prensa muones que se comportan como nadie espera; neutrinos que podrían ser la causa del origen del Universo o el bosón de Higgs, que se perfila como candidato a tener la clave para que un día el cosmos de lo invisible pueda ser explicado.

Después de esta entrevista a Pilar Hernández he descubierto que los muchos que no formamos parte del selecto grupo de los físicos ni siquiera nos asomamos a intuir el alcance que tiene el conocimiento de estas partículas.

Lo que está entre sus manos será lo que defina el futuro, un futuro que la ciencia ficción todavía no ha tenido tiempo de imaginar.

Pilar y los suyos están abriendo una rendija en la puerta de un cosmos prometedor, rebosante de partículas tan locas y poderosas que, cuando el humano las conozca y domine, no solo habrá dado respuesta a preguntas sempiternas como el origen del Universo; además, podrá apropiarse de sus superpoderes: ¿viajar a universos paralelos, teletransportarse…? Bueno, quizá aquí he cruzado una frontera.

Discúlpenme, antes de adentrarnos en lugares tan ignotos como el vacío cuántico, o la materia oscura, debí presentar a la profesora Pilar Hernández Gamazo.

Pilar Hernández es catedrática de Física Teórica de la Universitat de València; es miembro del Comité de Política Científica del Laboratorio Europeo de Partículas, el CERN, el mayor centro de investigación de física fundamental del mundo y, además, o sobre todo, es investigadora del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del CSIC y la UV.

Pilar Hernández ha hecho contribuciones de gran relevancia a la física de neutrinos; la aplicación de teorías efectivas en la búsqueda de nueva física; el origen de la asimetría entre materia y antimateria en el Universo; y al estudio de la cromodinámica cuántica en un retículo espacio-temporal.

Con todo esto, difícil de encajar entre quienes no desayunamos cada día pensando en muones, antes de entrevistarla no podía quitarme de la cabeza un vídeo histórico en el que un periodista entrevista al gran físico Richard Feyman.

El vídeo está en Youtube con el título de Why (Por qué). El periodista le pregunta por qué se atraen dos imanes. Feyman, después de 20 minutos, concluye que para poder dar una respuesta en profundidad a esa pregunta es necesario que quien le escuche tenga conocimientos básicos de física.

Así que temí que mi entrevista no llegara a los 20 minutos sin que Pilar Hernández desesperara. Sin embargo, me acompañó hasta el final… Incluso, hasta el momento en que pregunté si es cierto que los muones pueden dar al traste con las bases de la física hasta ahora conocida.

Había pedido esta entrevista a Pilar Hernández para llegar ahí, al muon, la última partícula elemental en titulares de prensa.

Recientemente, un experimento llevado a cabo en Fermilab (uno de esos monstruosos aceleradores de partículas inverosímiles) removió a los físicos del mundo, y en la prensa aparecieron titulares como “El muon cuestiona las leyes de la física”, o “Fuerzas desconocidas dominan el mundo subatómico”.

Así que iba a preguntar a Pilar Hernández solo sobre muones. Pero sentí que era como si un alienígena quisiera saber sobre los habitantes de un océano y preguntara solo por los delfines.

Y me tiré al barro con una pregunta con la que me habría ganado una respuesta como la de Richard Feyman:

Cuándo miras una mano, ¿ves una mano? ¿O ves una nebulosa de partículas?

Obviamente si miro una mano veo una mano, no somos tan extraños los físicos teóricos. Pero la misma perplejidad que tú tienes al ver que hay tantas partículas elementales es la que tuvieron los físicos que las descubrieron y observaron por primera vez.

¿Cómo empezó este lío de lo pequeño?

Empezó cuando fue posible observar lo más pequeño y se empezó a entender la estructura de la materia, de una mano o de una hoja de papel, del hierro, de un diamante… de cualquier objeto cotidiano.

A principios del siglo XX la mecánica cuántica nos permitió entender la estructura del átomo, a la vez que la relatividad especial de Einstein revolucionó nuestra comprensión del espacio-tiempo cuando nos acercamos a la velocidad de la luz.

La unificación de la mecánica cuántica y la relatividad fue un enorme salto en el conocimiento, así nació la teoría cuántica de campos. Esta teoría unifica los conceptos clásicos de partícula y de campo.

«El átomo no es una especie de mini sistema solar con electrones que circulan alrededor de un núcleo de carga positiva»

A distancias muy pequeñas, las partículas y los campos son dos caras de la misma moneda. Así, el átomo no es una especie de mini sistema solar con electrones que circulan alrededor de un núcleo de carga positiva. Esa es una imagen muy simplista de lo que hay en realidad.

¿Qué hay en realidad? ¿Cómo puedo imaginarme un átomo?

Considera por ejemplo el átomo más sencillo, el de hidrógeno, que solo tiene un protón y un electrón. ¿Vale la imagen en la que el protón es “el sol” y el electrón un planeta que lo circunvala? Pues en realidad un electrón en un átomo, no sigue una órbita bien definida. Más bien te lo puedes imaginar como una nube electrónica o “campo electrónico”: donde más densa es la nube, más probable es encontrar el electrón, si lo midieras; pero el electrón está deslocalizado.

¿Es como una nebulosa del Hubble?

Si quieres puedes verlo como una galaxia. Es una metáfora sugerente, pero no olvidemos que imprecisa.

¿Pero hasta aquí hablamos solo de las partículas que forman la materia?

Así es. Sabemos que la materia ordinaria está hecha de los elementos químicos de la tabla periódica. Cuando entiendes la estructura del átomo, te das cuenta de que todos esos elementos químicos no son más que combinaciones diferentes de los mismos componentes básicos.

Toda la tabla periódica puede explicarse en términos de tres partículas: el electrón, el protón y el neutrón, y todos felices.

Pero entonces llegaron otras.

Los físicos empezaron a hacer experimentos observando los rayos cósmicos. La atmósfera terrestre está siendo continuamente bombardeada por partículas (protones o átomos pesados) que vienen con mucha energía del universo y chocan con los núcleos de la atmósfera.

En esos choques, a veces muy energéticos, se producen chorros de otras partículas. Cuando los físicos empezaron a estudiar esos chorros encontraron cosas que no estaban en nuestra tabla de partículas conocidas, una de las cuales resultó ser una especie de electrón pesado, al que bautizaron como muon.

¿Estas partículas no forman parte de la materia conocida?

«La materia ordinaria no está hecha de estas bestias exóticas»

No. Esas partículas no forman parte de la materia corriente, porque se desintegran rápidamente. Las podemos producir en colisiones muy energéticas, viven una fracción diminuta de segundo, y vuelven a desintegrarse en las partículas que ya conocemos. Uno diría que existen en la naturaleza, pero aparentemente no nos sirven para nada. Ni un muon, ni un quark top… La materia ordinaria no está hecha de estas bestias exóticas.

Algunas de estas partículas exóticas no están en la materia ordinaria pero tampoco se desintegran. Son los neutrinos. Estos sí nos sirven para algo: son los mensajeros de un tipo de radiactividad, responsable de que podamos transformar unos elementos en otros en las reacciones de fisión o fusión nuclear. Y sin embargo no forman parte de la materia ordinaria porque no hay quien los cace, son enormemente elusivos. Pero el Universo está lleno de ellos.

«Si abres tu mano a 100 metros de un reactor nuclear, la cruzarán billones de neutrinos cada segundo»

De hecho tenemos fuentes muy intensas de neutrinos a nuestro alrededor. Por ejemplo, los reactores nucleares. Gracias a ellos se descubrió el neutrino. Los reactores nucleares emiten unos 10^20 neutrinos por segundo. Esto quiere decir que si abres tu mano a 100 metros de un reactor nuclear, la cruzarán billones de neutrinos cada segundo. Aunque es muy improbable detectar un solo neutrino, cuando tenemos billones de ellos, la probabilidad de que alguno de ellos interaccione con nuestro detector y podamos verlo es mucho mayor.

Muon, neutrino, bosón de Higgs… ¿tenéis también una tabla periódica con estas partículas que llegan del espacio?

De todas las partículas encontradas hasta ahora, sí, tenemos una “tabla periódica” que nos permite ordenarlas de acuerdo a sus propiedades. Eso es lo que llamamos el Modelo Estándar de partículas.

¿Y entendéis cómo funciona?

El modelo estándar funciona a la perfección, pero aunque observamos que hay un patrón en las propiedades de estas partículas, no tenemos el equivalente del átomo para explicar la tabla de los elementos, y es lo que los físicos teóricos buscamos.

Pensamos que tras esta tabla hay principios más fundamentales, probablemente de simetría, que podrán decirnos si el muon está relacionado con el electrón de un modo más profundo de lo que vemos, si son dos caras de una misma cosa que aún no entendemos. Del mismo modo que un átomo es lo mismo que otro átomo añadiendo o quitando electrones, protones y neutrones. En el Modelo Estándar, el bosón de Higgs es el responsable de que un electrón y un muon sean diferentes, por ello se perfila como el candidato para ser la clave que pueda explicar la relación entre todas estas partículas. En eso estamos.

¿Cuántas partículas aún no conocéis? ¿Qué porcentaje es totalmente desconocido?

No es posible contestar a esa pregunta. Yo sé que si miro el universo, solo el 5% de la energía que lo compone está en forma de protones y neutrones, que puedo explicar con el modelo estándar. Pero no sé cuánto peso tienen estas partículas en el total de lo que existe. No sé cuánto es lo que desconocemos.

Por ejemplo, la materia oscura.

La explicación más popular entre los físicos de la materia oscura es que está formada por alguna partícula aún no descubierta, que ha permanecido en el Universo como reliquia del Big Bang, igual que los neutrinos. La materia oscura puede ser una partícula o un conjunto de partículas que, cuando las descubramos, añadirán más complejidad a esa tabla que tenemos.

Y llegamos al muon, que acaba de salir en prensa como la partícula que hace que se tambaleen los principios de la física. ¿Qué ha ocurrido?

Lo que ha ocurrido es que el resultado de un experimento para probar cómo se comportan los muones en un campo magnético no se ajusta a lo que el Modelo Estándar preveía, o no del todo.

Lo que se ha medido es el momento anómalo magnético del muon, que llamamos g-2, que mide la manera en que el espín del muon varía en un campo magnético.

El espín es como un momento angular interno que tienen las partículas elementales como el electrón o el muon. La imagen clásica es la de una diminuta peonza girando. En un campo magnético la peonza hace un movimiento de precesión y la frecuencia de esta precesión depende de una propiedad que la teoría predice con mucha exactitud y que llamamos el momento anómalo magnético o g-2. Y esto es lo que se ha medido experimentalmente en Fermilab, para el muon.

¿En qué consiste el experimento?

El experimento hace girar a los muones en un anillo en presencia de un campo magnético. Los muones se desintegran a electrones, y a partir de la medida del momento del electrón se puede inferir el espín del muon que ha decaído y así determinar la frecuencia de precesión con una gran precisión. Estamos hablando de 0.14 partes por millón. Imagina que conoces un número con una precisión de siete cifras significativas.

Nuestra teoría, el Modelo Estándar, nos permite predecir este número, pero la precisión requerida está en la frontera de nuestras capacidades. Y lo que ha ocurrido es que el número que ha obtenido el experimento no se ajusta a la predicción teórica más aceptada hasta la fecha.

¿La cifra teórica no puede estar equivocada?

La predicción de esta cifra, de g-2, es mítica en nuestro campo.

En mecánica clásica, si tú te imaginas una pequeña peonza que gira, puedes predecir sin dificultad que este número, g, debe ser 1. En mecánica cuántica relativista, el número es distinto, nada menos que el doble: g debe ser 2. Dar con la teoría capaz de explicar esta discrepancia fue uno de los hitos en nuestra comprensión de las partículas elementales y las interacciones fundamentales.

El gran físico P.A.M. Dirac derivó la famosa ecuación que lleva su nombre para que fuera compatible con la mecánica cuántica y con la relatividad especial. Resultó que la ecuación predecía que g es 2, y este era por aquel entonces el resultado compatible con el experimento. Este fue un gran logro en nuestro entendimiento. Toda esta cosa extraña que es la mecánica cuántica podía predecirse con matemáticas.

Sin embargo, poco después los experimentos más precisos empezaron a encontrar que g difería del valor de Dirac, midieron 2.002… a partir de ese momento el número interesante a determinar no era g, sino g-2. Es decir en cuánto difiere el número del predicho por la ecuación de Dirac.

¿Por qué es tan complejo ese cálculo?

Es la magia de la mecánica cuántica. Cuando tenemos un muon-peonza girando, este se está moviendo en un extraño vacío. Digamos que lo que llamamos vacío cuántico es algo muy poco vacío.

El muon está interactuando con el campo magnético, pero no está solo. El vacío cuántico es algo muy no trivial, donde precisamente por el principio de incertidumbre no puedes saber si tienes un muon sólo o si además tienes un par de partículas virtuales que se producen en un instante muy pequeño y desaparecen.

«La manera en la que el muon se comporta en el campo magnético está modificada por la polarización del vacío cuántico»

Todo eso que está ocurriendo constantemente es lo que llamamos la polarización del vacío. Y la manera en la que el muon se comporta en el campo magnético está modificada por la polarización de este vacío cuántico. Algo que tiene mucho interés porque ahí, en ese vacío cuántico, está ocurriendo de todo.

Fíjate, nosotros, para producir un quark top, necesitamos colisionadores que emplean energías bestiales. Sin embargo, ese quark top está, como todo el resto de partículas del Modelo Estándar, en el vacío cuántico. Por eso estas medidas a los físicos teóricos nos interesan tanto.

Hay dos vías en las que puedes tratar de buscar partículas que no conocemos. Una de ellas, haciendo colisiones de más y más alta energía en estos macro aceleradores de partículas como el LHC del CERN, para eventualmente hacer aparecer alguna partícula desconocida que no hayamos visto aún porque no teníamos la energía suficiente.

Otra es entendiendo las propiedades del vacío cuántico, porque sabes que el vacío cuántico las contiene; ahí están, generando una contribución aunque sea pequeña. Entonces, cuanto más precisa sea tu medida de todos estos efectos, más sensible vas a ser a detectar posibles partículas y fuerzas que no habías anticipado.

Y entonces, los físicos teóricos calcularon el número exacto del momento del muon.

La fórmula de Dirac nos permitió entender la mecánica cuántica en el régimen relativista. Pero el 2,002 dejó perplejos a los físicos hasta que otro gran físico, J. Schwinger, se atrevió a calcular por primera vez cómo la polarización del vacío afecta a g. Lo hizo para el electrón (el muon no se había descubierto aún) y encontró un resultado sencillísimo: la mitad de g-2 es la constante de estructura fina, alpha, dividida por el número 2 pi, es decir 0,00116 en perfecto acuerdo con el experimento.

¿Es un cálculo difícil?

El cálculo de Schwinger hoy en día es fácil y lo hacemos en clase, a nivel de la gente que acaba un máster en física teórica. Pero en el momento en que lo hizo Schwinger, cuando la teoría cuántica de campos era todo tierra ignota, fue un cálculo mayor. No es sorprendente que eligiera este resultado para su epitafio.

Desde Julian Schwinger hasta hoy el nivel de precisión de ese cálculo ha mejorado muchísimo, hasta verse las diferencias entre el cálculo para el electrón y el muon (que no sienten el vacío igual…).

Si Schwinger dio ese número, 0,00116, hoy conocemos para el electrón siete cifras más y sabemos que ese número es 0,001159652181. Para el muon, el cálculo es más complicado, así que solo cinco más: 0,0011659181. Y ahí nos quedamos.

¿Cómo se ha ido haciendo más preciso?

El cálculo de Schwinger consideraba solo las correcciones del vacío cuántico teniendo en cuenta el electromagnetismo. Pero igual que la interacción electromagnética contribuye a polarizar el vacío, también lo hacen las interacciones fuertes, las que mantienen a los quarks atados dentro de los protones y neutrones, así como las interacciones débiles.

El cálculo de la polarización de vacío debido a las interacciones fuertes es mucho más complejo que el cálculo de Schwinger, pero finalmente parece que hemos alcanzado la capacidad de hacer este cálculo con precisión comparable a la experimental.

¿A pesar de la precisión, la teoría no cuadra con el experimento?

Exacto. El experimento ha encontrado 0,0011659206(4), que difiere de la predicción anterior a un nivel significativo.

La predicción teórica, que como hemos dicho está en el límite de lo que sabemos hacer, es el resultado de una combinación de dos predicciones muy diferentes. Una de estas predicciones es ab initio, pero hasta hace muy poco tiempo no era lo suficientemente precisa.

Esto ha cambiado recientemente con un nuevo cálculo publicado en Nature, el mismo día que se hizo el anuncio de la medida experimental, donde el método ab initio ha conseguido reducir el error significativamente.

La otra predicción es indirecta o fenomenológica, porque usa otros observables para extraer información de la parte difícil de calcular, y así da un resultado muy preciso. Esta segunda predicción es la que ha dominado la predicción teórica más aceptada hasta la fecha y es la que discrepa del resultado experimental.

Sin embargo, el nuevo resultado del método ab initio no parece estar de acuerdo con la predicción fenomenológica y sí con el resultado experimental.

Hay algo que no entendemos, por tanto, en las distintas predicciones.

Entonces, ¿la respuesta a lo que ha pasado tiene más que ver con la dificultad de los cálculos que con que la física, tal y como la conocemos, se haya desmoronado?

Yo creo que han pasado dos cosas. Por un lado, ha habido una medida experimental muy importante, que va a mejorar en los siguientes años. Es decir, esto es solo la primera remesa de datos del experimento, con el que ya se ha conseguido mejorar el error de medidas previas, pero todavía tiene mucho margen de mejora.

«Vamos a tener información muy valiosa sobre el vacío cuántico y las posibles nuevas interacciones o partículas que lo modifican y que aún no hemos descubierto»

La predicción teórica aún no es del todo concluyente, pero los métodos ab initio han demostrado tener potencial para mejorar significativamente la predicción. Salga lo que salga, el resultado nos va a dar información muy valiosa sobre el vacío cuántico y las posibles nuevas interacciones o partículas que lo modifican y que aún no hemos descubierto.

Así pues, el muon va a dar mucho que hablar.

En general, toda la física de partículas va a dar mucho que hablar en el futuro. Esto es solo el principio de un descubrimiento que transformará nuestra comprensión del Universo.