¿Por qué es incompleto el modelo estándar? Una carencia, desde que en 1995 se descubrió el quark top, es la presencia de un bosón necesario para dar masa a las demás partículas (el Higgs).  Otra la ausencia de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la Gravedad.  Otro defecto estético es que no es lo bastante simple; debería parecerse más a la tierra, aire, fuego y agua, de Empédocles.  Hay demasiados parámetros y demasiados controles que ajustar.

Necesitamos una nueva teoría que sea menos complicada, más sencilla y bella, sin vericuetos intrincados que salvar, con la limpieza y serena majestad de la teoría de la Gravedad que, con enorme simpleza y aplicando principios naturales, trata los temas más profundos del Universo.

Esperemos que continué desarrollándose la teoría de cuerdas y que, como parece, incluya todas las fuerzas, todas las partículas y, en fin, todos los parámetros que dan sentido al Universo.

El Modelo Estándar: Historia resumida

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El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lentos, que significa “delgado”).

Aunque el electrón fue descubierto en 1897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856-1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto.  Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54)x10^-31kg la primera y, 1,602 177 33 (49)x10^-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico:  no se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos cursiva que el electrón (o positrón) y que lleve  una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que esta es la que se muestra en el electrón.

Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo.  El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora.

¡No por pequeño, se es insignificante!

Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

En realidad, existen partículas que no tienen en absoluto asociada en ellas ninguna masa (es decir, ninguna masa en reposo).  Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnéticas se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones*.

Esta manifestación en forma de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”.

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Los procesos científicos que comentamos en este lugar, los fenómenos del Universo que hemos debatido y, también,  los misterios y secretos que el inmenso Cosmos nos oculta han contribuido, aunque inadvertidamente, a comprometer e involucrar a nuestra especie en la vastedad del universo. La astronomía al destrozar las esferas cristalinas que, según se decía, aislaban la Tierra de los ámbitos etéreos que se hallan por encima de la Luna, nos puso en el universo. La Física cuántica  destruyó la metafórica hoja de cristal que supuestamente separaba al observador distante del mundo observado; descubrimos que estamos inevitablemente enredados en aquello que estudiamos.

La Astrofísica, al demostrar que la materia es la misma en todas partes y que en todas partes obedece a las mismas leyes, reveló una unidad cósmica que se extiende desde la fusión nuclear en las estrellas hasta la química de la vida que allí se produce a lo largo de todo el Universo. La evolución darwiniana, al destacar que todas las especies de la vida terrestre están relacionadas y que todas surgieron de la materia ordinaria, puso de manifiesto que no hay ninguna muralla que nos separe de las otras criaturas de la Tierra, o del planeta que nos dio la vida: que estamos hechos del mismo material del que están hechos los mundos.

La convicción de que, en cierto sentido, formamos una unidad con el universo, por supuesto, ha sido afirmada antes muchas veces, en otras esferas de pensamiento. Hahvé creó a Adán del polvo; el griego Heráclito escribió que “todas las cosas son una sola”; Lao-tse, en China, describió al hombre y la naturaleza como gobernados por un solo principio (“lo llamó el Tao”); y la creencia en la unidad de la Humanidad con el cosmos estaba difundida entre los pueblos anteriores a la escritura, como lo puso de relieve el jefe indio suquamish Seattle, quien declaró en su lecho de muerte que, “todas las cosas están conectadas, como la sangre que une a una misma familia. Todo es como una misma familia, os lo digo”.

Pero hay algo sorprendente en el hecho de que la misma concepción general ha surgido de ciencias que se enorgullecen de su lúcida búsqueda de hechos objetivos, empíricos. Desde los mapas de cromosomas y los registros fósiles que representan las interconexiones de todos los seres vivos de la Tierra, hasta la semejanza de las proporciones químicas cósmicas con las de las especies vivas terrestres, nos muestran que realmente formamos parte del universo en su conjunto.

La verificación científica de nuestra participación en las acciones del cosmos tiene, desde luego, muchas implicaciones. Una de ellas es, si la vida inteligente ha evolucionado en este planeta, también puede haberlo hecho en otras partes. La Teoría de la evolución de Darwin, aunque no explica el antiguo enigma de por qué existe la vida, deja claro que la vida puede surgir de la materia ordinaria y evolucionar hasta una forma “inteligente”, al menos en un planeta como la Tierra que gira alredeedor de una estrella como el Sol (más de dioez mil millones en la Vía Láctea solamente) y, presumiblemente, más que unos pocos planetas semejantes a la Tierra, podemos especular que no somos la única especie que ha estudiado el universo y se ha preguntado sobre su papel en él.

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Como prometía ayer, a continuación enumero los candidatos a la materia oscura, junto con una breve descripción de sus propiedades y una corta explicación de por qué se cree que existen.

Partículas supersimétricas, fotinos, squarks y otros.

Estas partículas son predichas por las teorías que unifican todas las fuerzas de la naturaleza. Forman un conjunto de contrapartidas de las partículas a las que estamos habituados, pero son mucho más pesadas. Se nombran en analogía con sus compañeras: el squark es el compañero supersimétrico del quark, el fotino del fotón, etc. Las más ligeras de estas partículas podrían ser la materia oscura. Si es así, cada partícula probablemente pesaría al menos cuarenta veces más que el protón.

Materia de sombra

En algunas versiones de las llamadas teorías de supercuerdas hay todo un universo de materia de sombra que existe paralelo con el nuestro. Los dos universos se separaron cuando la gravedad se congeló separándose de las otras fuerzas. Las partículas de sombra interaccionan con nosotros sólo a través de la fuerza de la gravedad, lo que las convierte en candidatas ideales para la materia oscura.

Axiones

El Axión es una partícula muy ligera (pero presumiblemente muy común) que, si existiera, resolvería un problema antiguo en la teoría de las partículas elementales. Se estima que tiene una masa menor que una millonésima parte de la del electrón y se supone que impregna el universo de una manera semejante al fondo de microondas. La materia oscura consistiría en agregaciones de axiones por encima del nivel general de fondo.

¿WIMPs en el Sol?

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El estado actual de la cuestión es que los cosmólogos creen saber que hay una gran cantidad de materia oscura en el Universo y, han conseguido eliminar la candidatura de cualquier tipo de partícula ordinaria que conocemos. En tales circunstancias no se puede llegar a otra conclusión que la materia oscura debe de existir en alguna forma que todavía no hemos visto y cuyas propiedades ignoramos totalmente.

A los teóricos nada les gusta más que aquella situación en la cual puedan dejar volar libremente la imaginación sin miedo a que nada tan brusco como un experimento u observación acabe con su juego. En cualquier caso, han producido sugerencias extraordinarias acerca de lo que podría ser la “materia oscura” del universo.

La forma en que llevan este asunto es esta: toman una teoría en boga de modo general acerca de la interacción de los constituyentes fundamentales de la materia y notan que la teoría requiere o permite la existencia de algún tipo de partícula nueva. Se examinan las exigencias de la naturaleza de esta partícula aún no descubierta, y si puede desempeñar el papel de materia oscura fría (resulta que desde el punto de vista de la creación de la estructura observada en el Universo, la característica más importe del proceso de desaparejamiento para la materia oscura es la velocidad de las partículas cuando son libres. Si el desaparejamiento tiene lugar muy pronto en el Big Bang, la materia oscura puede salir con sus partículas moviéndose muy rápidamente, casi a la velocidad de la luz. Si es así decimos que la materia oscura está caliente. Si el desaparejamiento tiene lugar cuando las partículas están moviéndose poco a poco –velocidad significativamente menor que la de la luz- decimos que la materia está fría) o caliente y a partir de ahí se anuncia con gran fanfarria que el constituyente último del universo ha sido descubierto.

De esta manera se vinieron a unir la física de partículas y la cosmología y la existencia de cada partícula que, en cada teoría fueron sugeridas originalmente por razones que nada tienen que ver con la estructura del universo. El estudio de sus propiedades estaba impulsado únicamente por las exigencias internas de las teorías que se forjaban para explicar las interacciones entre partículas fundamentales. Sólo después de que esos pasos se habían completado se comprendió que esas partículas podían desempeñar un papel cosmológico.

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