Los resultados recientes de la investigación que estamos llevando a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Ginebra sugieren que es posible que nos estemos acercando a las firmas de la física no descubierta.
Si se confirman, las pistas anularían una teoría llamada Modelo Estándar, que ha dominado la física de partículas durante 50 años. Los resultados muestran que el comportamiento de partículas subatómicas específicas en el LHC no se ajusta al modelo estándar.
Las partículas fundamentales son los componentes básicos de la materia: partículas subatómicas que no pueden descomponerse en unidades más pequeñas. Cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnetismo, fuerza débil y fuerza fuerte) controlan las interacciones de estas partículas.
El LHC es un gigantesco acelerador de partículas construido en un túnel circular de 27 kilómetros de longitud bajo la frontera franco-suiza. Su principal objetivo es encontrar grietas en el Modelo Estándar.
Esta teoría es nuestra mejor comprensión de las partículas y fuerzas fundamentales, pero sabemos que no puede ser completa. No explica la gravedad ni la materia oscura, un tipo de materia invisible y aún no medida que constituye aproximadamente el 25% del universo.
En el LHC, haces de partículas de protones que se mueven en direcciones opuestas chocan en un intento de revelar indicios de física aún no descubierta. Los nuevos resultados proceden del experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones, que analiza estas colisiones.
El resultado proviene del estudio de la desintegración (una especie de transformación) de partículas subatómicas llamadas mesones B. Investigamos cómo estos mesones B se desintegran en otras partículas y descubrimos que la forma específica en que sucede esto no coincide con las predicciones del modelo estándar.
Teoría elegante
El Modelo Estándar se basa en dos de los avances más revolucionarios en física del siglo XX; La mecánica cuántica y la teoría especial de la relatividad de Einstein.
Los físicos pueden comparar mediciones realizadas en objetos como el LHC con predicciones basadas en el modelo estándar para probar exhaustivamente la teoría.
Aunque sabemos que el Modelo Estándar está incompleto, después de más de 50 años de pruebas cada vez más rigurosas, los físicos de partículas aún tienen que encontrar una grieta en la teoría. Es decir, potencialmente hasta ahora.
El modelo estándar proporciona una mejor comprensión de las partículas y fuerzas fundamentales, pero sabemos que hay más. Alionaursu/Shutterstock
Nuestra medición, aceptada para su publicación en la revista Physical Review Letters, muestra una tensión de cuatro desviaciones estándar de las expectativas del Modelo Estándar.
En términos del mundo real, esto significa que después de considerar las incertidumbres de los resultados experimentales y las predicciones teóricas, solo hay una posibilidad entre 16.000 de que se produzca una fluctuación aleatoria de datos de un valor tan extremo si el modelo estándar es correcto.
Aunque esto no cumple con el estándar de oro de la ciencia -el llamado cinco sigma, o cinco desviaciones estándar (probabilidad de aproximadamente uno en 1,7 millones)-, la evidencia está comenzando a acumularse. A esta narrativa convincente se suman los resultados de un experimento independiente del LHC, CMS, que se publicaron a principios de 2025.
Aunque los resultados de CMS no son tan precisos como los resultados de LHCb, coinciden bastante entre sí, lo que fortalece el argumento. Nuestros nuevos resultados se obtuvieron estudiando un tipo especial de proceso conocido como desintegración electrodébil del pingüino.
Eventos raros
El término “pingüino” se refiere a un tipo específico de descomposición (transformación) de partículas de vida corta. En este caso, estudiamos cómo el mesón B se desintegra en otras cuatro partículas subatómicas: un kaón, un pión y dos muones.
Con un poco de imaginación, puedes imaginar la disposición de las partículas participantes como un pingüino. Es importante destacar que medir esta desintegración nos permite estudiar cómo un tipo de partícula fundamental, el quark belleza, puede transformarse en otro, el quark extraño.
Esta desintegración del pingüino es increíblemente rara en el modelo estándar: por cada millón de mesones B, sólo uno se desintegrará de esta manera. Analizamos cuidadosamente los ángulos y energías en los que se crean estas partículas durante la desintegración y determinamos exactamente con qué frecuencia ocurre este proceso. Descubrimos que nuestras mediciones de estas cantidades no coinciden con las predicciones del modelo estándar.
En el LHC, los imanes doblan partículas de protones alrededor de un túnel de 27 km de longitud construido bajo la frontera franco-suiza. CERN
Los estudios precisos de tales desintegraciones han sido uno de los principales objetivos del experimento LHCb desde su inicio en 1994. Los procesos Penguin son singularmente sensibles a los efectos de nuevas partículas potencialmente muy pesadas que no pueden crearse directamente en el LHC.
Estas partículas aún pueden tener un efecto mensurable en estas desintegraciones, a pesar de la pequeña contribución del Modelo Estándar. Este tipo de observación indirecta no es nueva. Por ejemplo, la radiactividad se descubrió 80 años antes de que se observaran directamente las partículas fundamentales responsables de ella (los bosones W).
Direcciones futuras
Nuestra investigación sobre procesos raros nos permite explorar partes de la naturaleza a las que de otro modo sólo se podría acceder a través de colisionadores de partículas planeados para la década de 2070. Existe una amplia gama de nuevas teorías potenciales que podrían explicar nuestros hallazgos. Muchos de ellos contienen nuevas partículas llamadas “leptoquarks”, que combinan dos tipos diferentes de materia: “leptones” y “quarks”.
Otras teorías potenciales involucran partículas que son análogas más pesadas a las que ya se encuentran en el Modelo Estándar. Los nuevos hallazgos limitan la forma de estos modelos y guiarán búsquedas futuras.
A pesar de nuestro entusiasmo, quedan cuestiones teóricas abiertas que nos impiden decir de manera concluyente que se ha observado física más allá del modelo estándar. La mayor pregunta surge de los llamados “pingüinos encantadores”, un conjunto de procesos presentes en el Modelo Estándar cuyas contribuciones son extremadamente difíciles de predecir. Evaluaciones recientes de estos adorables pingüinos indican que su influencia no es lo suficientemente grande como para explicar nuestros datos.
Además, la combinación del modelo teórico y los datos experimentales del LHCb sugiere que los encantadores pingüinos (y por tanto el modelo estándar) tienen dificultades para explicar los resultados anómalos.
Los nuevos datos ya recopilados nos permitirán confirmar la situación en los próximos años: en nuestro trabajo actual, hemos estudiado alrededor de 650 mil millones de desintegraciones del mesón B registradas entre 2011 y 2018 para encontrar estas desintegraciones de pingüinos. Desde entonces, el experimento LHCb ha detectado tres veces más mesones B.
Se planean más avances para la década de 2030 para aprovechar futuras actualizaciones del LHC y volver a acumular un conjunto de datos 15 veces mayor. Este último paso permitirá hacer declaraciones definitivas, lo que potencialmente desbloqueará una nueva comprensión de cómo funciona el universo en el nivel más básico.
