Les esperances dels físics s’acceleren a Ginebra

A l’abril, els científics del Centre Europeu d’Investigació Nuclear (CERN), situat als afores de Ginebra, van tornar a posar en marxa la seva arma còsmica, el Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC). Després de tenir-lo tancat tres anys per fer-hi reparacions i actualitzacions, el col·lisionador torna a disparar protons –les entranyes dels àtoms d’hidrogen– per la seva pista electromagnètica subterrània de 27 quilòmetres. A principis de juliol el col·lisionador començarà a fer xocar aquestes partícules per crear espurnes d’energia primordial.

I així està a punt de començar una altra vegada el gran joc de la recerca del secret de l’Univers, enmig dels últims descobriments i les esperances renovades dels físics de partícules. Abans de la seva actualització l’LHC ja va donar indicis que a la natura potser s’hi amaga una cosa espectacular. Mitesh Patel, un físic de l’Imperial College London que dirigeix un experiment al CERN, ha definit les dades obtingudes a les fases operatives anteriors com “els resultats més apassionants que he vist en la meva vida professional”.

Fa una dècada el CERN va aparèixer als titulars de tot el món perquè s’hi havia descobert el bosó de Higgs, una partícula molt buscada que imparteix massa a totes les altres partícules de l’Univers. Què queda per descobrir? Gairebé tot, segons els físics optimistes.

Més dades, més descobriments?

Quan el col·lisionador del CERN es va engegar per primera vegada el 2010, hi havia tot un univers per explorar. La màquina, la més gran i potent que mai s’ha construït, es va dissenyar per trobar el bosó de Higgs. Aquesta partícula és la clau del model estàndard, un conjunt d’equacions que explica tot el que els científics han pogut mesurar sobre el món subatòmic. Però hi ha interrogants més profunds sobre l’Univers que el model estàndard no ha resolt: d’on va sortir l’Univers? Per què està fet de matèria i no d’antimatèria? Què és la “matèria fosca” que inunda el cosmos? Com és que té massa, la partícula de Higgs?

Els físics confiaven que algunes respostes es materialitzarien aquell mateix el 2010, però no hi va haver cap resultat llevat del bosó de Higgs; en concret, no es va trobar cap partícula nova que expliqués la naturalesa de la matèria fosca. És frustrant, però el model estàndard s’ha mantingut intacte.

A finals del 2018 van tancar el col·lisionador per fer-hi actualitzacions i reparacions de gran envergadura. Com diu Patel: “Les dades arribaran a un ritme molt més ràpid del que estem acostumats”. On abans només es produïen un parell de col·lisions als punts on es creuen els feixos ara n’hi haurà cinc. I afegeix: “Això ens complica una mica la vida perquè, entre totes aquestes interaccions diferents, hem de ser capaços de trobar-hi el que ens interessa. Però també vol dir que tenim més probabilitats de trobar el que busquem”.

El model estàndard trontolla

Mentrestant, una sèrie d’experiments han tret a la llum possibles esquerdes en el model estàndard i apunten a una teoria més àmplia i profunda de l’Univers. Aquests resultats consisteixen en els estranys comportaments d’unes partícules subatòmiques amb noms desconeguts per a la majoria dels que observem l’espectacle del cosmos.

Fixem-nos en el muó, una partícula subatòmica que va adquirir una breu fama l’any passat. Dels muons sovint en diuen electrons grassos; tenen la mateixa càrrega elèctrica negativa però són 207 vegades més massius. “Qui ho ha encarregat, això?”, va preguntar el físic Isador Rabi el 1936, quan es van descobrir els muons.

Ningú sap on encaixen els muons en el panorama general. Es creen a partir de col·lisions de rajos còsmics –i en un col·lisionador– i es desintegren radioactivament en microsegons per convertir-se en un conjunt efervescent d’electrons i d’aquestes partícules fantasmals anomenades neutrins. L’any passat un equip d’uns 200 físics associats amb el Laboratori Nacional Fermi d’Illinois (Fermilab) va anunciar que uns muons que giraven en un camp magnètic havien rodat força més ràpid del que preveu el model estàndard. La discrepància amb les prediccions teòriques es produïa en el vuitè decimal del valor d’un paràmetre anomenat g-2, que descriu com respon la partícula a un camp magnètic. Els científics van atribuir la diferència fraccionària però real al xiuxiueig quàntic de partícules encara desconegudes que es materialitzarien breument al voltant del muó i n’afectarien les propietats. Confirmar-ne l’existència acabaria, per fi, amb el model estàndard.

El muó també apareix en una altra anomalia. El protagonista, o potser el dolent, d’aquest drama és una partícula anomenada quark B, una de les sis varietats de quark que componen partícules més pesants, com els protons i neutrons. La lletra B correspon a bottom (fons) o potser a beauty (bellesa). Algunes desintegracions d’aquest quark consisteixen en una cadena de reaccions que acaben en un tipus de quark diferent i més lleuger i un parell de partícules lleugeres anomenades leptons, ja siguin electrons o els seus cosins grassonets, els muons. Segons el model estàndard, els electrons i els muons tenen les mateixes probabilitats d’aparèixer en aquesta reacció. (Hi ha un tercer leptó més pesant, el tau, però es desintegra massa de pressa per poder observar-lo.) Però resulta que Patel i els seus col·legues han trobat més parells d’electrons que no pas parells de muons, en contradicció amb un principi conegut com la universalitat del leptó.

“Podria ser l’assassí del model estàndard”, diu Patel, l’equip del qual ha investigat els quarks B amb un dels grans detectors del Gran Col·lisionador d’Hadrons. Aquesta anomalia, com l’anomalia magnètica del muó, apunta a una “influència” desconeguda: una partícula o força que interfereix en la reacció.

Segons Patel, una de les possibilitats més espectaculars –si aquestes dades es confirmen els propers mesos– és una especulació subatòmica anomenada leptoquark. Si aquesta partícula existeix, podria cobrir el buit que separa dues classes de partícules que formen l’Univers material: els leptons lleugers –electrons, muons i també neutrins– i unes partícules més pesants, com els protons i els neutrons, que estan fets de quarks. Curiosament hi ha sis tipus de quarks i sis tipus de leptons. Segons Patel: “Entrem en aquesta fase amb més optimisme pel que fa a una possible revolució. Creuem els dits”.

En aquest zoo encara hi ha una altra partícula que es comporta d’una manera estranya: el bosó W, que transporta l’anomenada força feble responsable de la desintegració radioactiva. Segons el model estàndard i els anteriors mesuraments de massa, el bosó W pesaria uns 80.357 milions d’electrons-volt, la unitat d’energia màssica preferida pels físics. Però el mesurament del bosó W fet pel Fermilab, el més precís de tots, ha donat un resultat de 80.433 milions d’electron-volts. La massa del bosó W està relacionada amb les masses d’altres partícules, inclòs el famós Higgs. Per tant, aquesta nova discrepància, si es confirma, podria ser una altra esquerda en el model estàndard.

“Serà emocionant!”

Per als optimistes, les tres anomalies apunten en una mateixa direcció força encoratjadora: partícules o forces amagades que interfereixen en la física “coneguda”. Com diu Kyle Cranmer, físic de la Universitat de Wisconsin que treballa en altres experiments al CERN: “Per tant, podria estar a l’abast del Gran Col·lisionador d’Hadrons trobar una nova partícula que explicaria tant el g-2 com la massa del W”.

John Ellis, científic del CERN i del King’s College de Londres, ha assenyalat que s’han publicat com a mínim 70 estudis que proposen diferents explicacions per a la nova discrepància de la massa del W. “Per a moltes d’aquestes explicacions també fan falta noves partícules que poden ser accessibles per al Gran Col·lisionador d’Hadrons. ¿He parlat de la matèria fosca? De manera que hi ha moltes coses que cal tenir en compte!” Com diu Patel: “Serà emocionant. Caldrà treballar molt, però tenim moltes ganes de veure què en traiem i si a les dades hi trobem alguna cosa interessant de debò”. I afegeix: “Pot ser que no tinguis l’ocasió de dir una cosa així ni una sola vegada al llarg de la teva carrera científica, o sigui que ho considero un privilegi”.

Copyright: The New York Times

Traducció de Lídia Fernández Torrell