'Z-prima', ¿una puerta a la nueva física?

Una investigación franco-española en base a la desintegración de una partícula llamada 'mesón B' consigue detectar unas desviaciones con respecto a al Modelo Estándar que podrían ser consistentes con la existencia de nueva física. La posible responsable: Z-prima, una partícula teorizada en diversos modelos físicos alternativos pero nunca observada.

Peter Higgs se pasó de listo, y no es ironía. Tras décadas de búsqueda incesante, hace un año se halló al fin su ansiado bosón, la partícula que dota de masa al resto de materia conocida y que completa la teoría más simple y hasta ahora más precisa para explicar cada fenómeno de la naturaleza, el Modelo Estándar. Y resulta que ‘este’ bosón de Higgs se parece más ‘al’ bosón de Higgs de lo que la mayoría de investigadores de varias generaciones hubiera imaginado. No sólo parece ser la esquiva partícula formulada por el físico británico en los sesenta, sino que la forma de desintegrarse que el Modelo Estándar predecía para ella –aún antes de que se hubiera observado de forma directa- también se acerca de una forma pasmosa a la realidad, al menos con la precisión actual de las medidas.

¿Malo? No, pero sí de algún modo decepcionante. Buena parte de la comunidad científica esperaba que el hallazgo del bosón de Higgs abriera la puerta a indagar sobre una nueva física; que las incongruencias entre la teoría y lo observado funcionarían como hilos de los que tirar para dar respuesta a los grandes interrogantes de la física, como la naturaleza de la materia oscura o la aparente contradicción entre la gravedad y cuántica, ante los que la física conocida –Modelo Estándar mediante- se encoge de hombros. La partícula hallada en el CERN y por la que Peter Higgs se hizo por fin con el Nobel se parece tanto a la del Modelo Estándar que se ha debilitado mucho –aunque no anulado por completo- como vía para hallar nueva física.

Con el bosón de Higgs congelado en su casi perfecta predicción, los equipos de investigación con años de trabajo en otros campos a sus espaldas toman el relevo en la primera línea. Desde que hace casi un año publicaran los primeros indicios, el equipo de Joaquim Matías, profesor del departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona, ha abierto una ventana hacia física desconocida a partir de una serie de desviaciones del Modelo Estándar observadas en la desintegración de una partícula llamada mesón B.

A nivel teórico, se siguen analizando otras contribuciones que pudieran explicar las desviaciones detectadas dentro del Modelo Estándar. En lo experimental, se trabaja por refinar y mejorar la estadística de las medidas. Mientras, ya hay dos aspectos que sitúan esta evidencia en un lugar destacado de la investigación sobre nueva física de los últimos años. Por un lado, es difícil (no imposible) que la desviación observada responda a una casualidad, a una fluctuación estadística, porque se repite como un patrón en distintas regiones de energía. Por otra parte, ya existen algunos modelos teóricos que, de confirmarse como tal, podrían explicar la causa de esta desviación, según señala Matías a este diario.

Eureka!

Fue en la Conferencia Internacional de Física de Partículas de Estocolmo, en julio de 2013, donde Matías y sus colaboradores de la Universidad de París-Sur, Sébastien Descotes-Genon y Javier Virto -actualmente en la Universidad de Siegen-, clamaron el ‘¡Eureka!’ La combinación de los resultados de su trabajo con los que presentó el también físico Nicola Serra en Estocolmo, arrojó la luz definitiva al camino que venían trazando. A raíz de una serie de cálculos teóricos, Matías propuso en 2005 un conjunto de observables -el mecanismo mediante el cual se recoge la información procedente de la colisión de partículas- “limpios”, que permiten extraer la información de los datos con menor incertidumbre. Desde entonces, tanto Matías como Serra se esforzaban por medir esos observables, ocho en total, y en Estocolmo, las principales conclusiones que había extraído el físico catalán se repetían en las presentadas por el italiano.

El LHCb, uno de los cuatro experimentos que se desarrollan de forma permanente en el acelerador de partículas LHC del CERN, mide las desintegraciones de una partícula que se llama ‘mesón B’. Dicho elemento se divide en su desintegración en tres partículas: una ‘k estrella’ y dos muones, y lo hace de una forma determinada, disponiéndose en el espacio en unos ángulos concretos. El Modelo Estándar predice esta desintegración y, es más, señala qué eventos van a producirse durante esa desintegración en cada uno de los ángulos. Sin embargo, aplicando los observables propuestos por Matías, la predicción del Modelo Estándar no se corresponde con la información extraída: hay desviaciones con respecto al libro de instrucciones de la naturaleza que hasta ahora, y más desde el hallazgo de Higgs, se ha dado por bueno.

Patrón

No es la primera vez, según aclara Matías a este diario, que una investigación que llega al estadio de evidencia (sigma 3) termine termine convergiendo al Modelo Estándar. La diferencia de este hallazgo, y el motivo de su relevancia, es que la desviación observada se repite como un patrón, reduciendo las probabilidades de que su observación se deba a una fluctuación estadística más que a una divergencia real con el Modelo Estándar. Aún se trabaja, matiza el físico, en la posibilidad de encontrar alguna corrección dentro dicho modelo que pudiese reducir la significancia de estas desviaciones observadas. “De hecho, recientemente se ha propuesto una solución alternativa que estamos investigando”, puntualiza.

De momento, “lo más importante es que el observable se desvía globalmente”, explica Matías. Los experimentos en física de partículas analizan las desintegraciones en diferentes tramos de energía y, en este caso, la desviación observada, aunque con desigual intensidad, se repite en energías distintas. “Ese es el punto central de nuestro análisis, que no se trata de una desviación aislada sino que se ha convertido en un patrón”, explica, y hace un símil gráfico: “Es como una imagen tridimensional de una posible evidencia de nueva física, que te permite verla desde distintos puntos de vista”.

La comunidad científica internacional ha establecido que para proclamar un descubrimiento de forma oficial en física de partículas se precisa una desviación de 5 sigmas, es decir, que la probabilidad de que los datos se deban a una fluctuación estadística se rebaje hasta el 0,00005 por ciento. En esto está Joaquim Matías: “estudiando todas las posibles correcciones teóricas” a su planteamiento “para estar seguros de que el Modelo Estándar no es capaz de explicarlo y hacer así el cálculo más preciso”.

Aún así, el físico hace hincapié en la excepcionalidad de este hallazgo único por manifestarse en distintas regiones de energía e indica que, en este caso, no se buscan los 5 sigmas en cada una de esas regiones, sino “un efecto global con menos sigmas”. A lo que aspiran es a “unos tres sigmas en cuatro regiones”, a un “efecto global mucho más fuerte que los cuatro que lo forman por separado”. Si lo consiguen, se proclamaría el descubrimiento.

Modelo

Imaginemos una escena futura, posible pero aún ficticia: se consigue proclamar el descubrimiento a lo largo de 2014, es decir, que las desviaciones se demuestran como tal y son inexplicables desde el Modelo Estándar. Entonces haría falta identi?car una partícula responsable de esas desviaciones, como el Modelo Estándar necesitaba del bosón de Higgs para completarse. Según los cálculos en los que varios físicos ya han trabajado, el candidato más probable a haberlas provocado es una partícula llamada Z-prima (Z’), descrita, calculada y presente en muchos modelos teóricos, pero nunca hasta ahora observada. “Lo que nosotros hemos visto podría ser, de confirmarse, un efecto de esa partícula”, aclara el investigador catalán, quien reconoce que, como ya ocurrió en la etapa más temprana de investigación del bosón de Higgs, no se sabe con exactitud la masa de Z' y, por lo tanto, se desconoce en la actualidad si sería observable o no en el colisionador LHC.

Sin embargo, la relación de Z' con estas desviaciones es otro de los puntos fuertes de esta línea de investigación: ya existen modelos que pueden explicar lo que él plantea, “y eso es único”, tal y como asegura. Así, si seguimos caminando hacia adelante poniéndonos en el mejor de los casos, cabría preguntarse qué modelo de los que incluyen una partícula Z’ podría estar detrás de estas desviaciones en las desintegraciones del mesón B, y es aquí donde el horizonte de posibilidades es tan prometedor como infinito, aunque también lejano por el momento. Hacemos el paralelismo con la suerte que finalmente ha corrido Higgs: ¿y si se descubre Z’ y se ratifica uno de esos modelos? “Si esto se confirma estaríamos hablando de algo sumamente importante: una partícula de un modelo que no está dentro del Estándar, pero eso es ir muy allá”.

Nuevo escenario, nueva física

Matías asegura que “el descubrimiento de nueva física se realizará en el momento en que la solución más económica para explicar muchísimas desviaciones sea la misma, y nosotros vamos en esa dirección”. Además tiene claro que, “si se confirmara este año el descubrimiento, esta pasaría a ser una vía de investigación prioritaria”.

En términos generales, el investigador amplía las miras y propone otra posibilidad: “Puede ocurrir que la nueva física esté en energías mucho más altas, a las cuales hoy por hoy no podemos acceder. Una forma de estudiarlas es precisamente a través de las desintegraciones de mesones B, muy sensibles a lo que se llaman efectos virtuales: rastros que las partículas que no pueden observarse directamente dejan al crearse y destruirse, a través de los cuales se pueden estudiar indirectamente”.

Mientras llega el resultado definitivo, lo que se mantiene es el trabajo. Y la actitud: “Alguien dijo que en ciencia, si siempre piensas como la mayoría como mucho confirmaras los resultados de los demás, pero difícilmente llegarás a un nuevo descubrimiento. Suscribo plenamente esa afirmación”, cierra Matías.