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Marcela Carena

Marcela Carena: Más allá del Modelo Estándar

La directora de relaciones internacionales del Fermilab se refiere a los desafíos de las nuevas teorías que apuntan a extender la comprensión de la física de partículas

La física argentina Marcela Carena: nuevas teorías para intentar explicar eventos sobre los cuales el Modelo Estándar no brinda respuestas satisfactorias

Léo RamosLa física argentina Marcela Carena: nuevas teorías para intentar explicar eventos sobre los cuales el Modelo Estándar no brinda respuestas satisfactoriasLéo Ramos

En noviembre del año pasado, la física teórica Marcela Carena se convirtió en la primera titular de un puesto recién creado: el de directora de relaciones internacionales del Fermilab, el principal laboratorio de física de partículas de Estados Unidos, con sede en Batavia, en los alrededores de Chicago. Predicados académicos que califiquen a esta simpática argentina de 53 años para el cargo de embajadora de la institución no faltan. Carena es jefa del Departamento de Física Teórica del Fermilab y docente de la Universidad de Chicago. Ya ha trabajado en tres continentes y habla seis idiomas. “Me acuerdo del primer viaje a São Paulo, cuando tenía 25 años, que entonces aprendí a preguntar en portugués si la terminal quedaba cerca o lejos”, dice la investigadora, que acumula las ciudadanías italiana y estadounidense, además de la argentina.

En sus frecuentes viajes al exterior, Carena dedica actualmente buena parte de su tiempo a la búsqueda socios internacionales dispuestos a participar en un megaproyecto científico que se está gestando en el Fermilab: el Deep Underground Neutrino Experiment (Dune), un experimento multimillonario que apuntará a descubrir nuevas propiedades de los neutrinos, partículas elementales sumamente difíciles de detectar (lea la entrevista con Nigel Lockyer, director del Fermilab, en el número 235 de Pesquisa FAPESP). Pero siempre hay espacio en su agenda para eventos en los cuales la física habla más alto que la directora de relaciones internacionales. Una de esas ocasiones fue a comienzos de febrero, cuando estuvo en la capital paulista para participar en un seminario en el Instituto Sudamericano de Investigación Fundamental (ICTP-SAIFR), que tiene su sede en el Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp).

En dicho evento, Carena se refirió a las perspectivas de la física que procura llenar los agujeros no cubiertos por el denominado Modelo Estándar, una teoría que, desde la década de 1960, ha venido siendo refinada y que apunta a explicar de qué manera interactúan las partículas y las fuerzas desde el inicio del Universo. El Modelo Estándar prevé la existencia de dos grandes tipos de partículas, los fermiones y los bosones. Los fermiones son las partículas de materia (electrones, muones, taus, tres tipos de neutrinos y seis de cuarks). Los bosones son las partículas transmisoras de las fuerzas electromagnéticas, nuclear fuerte y nuclear débil, que son absorbidas o emitidas por los fermiones. E incluyen a los fotones, los gluones y los bosones Z y W. En 2012, se descubrió la última partícula prevista por el modelo, el bosón de Higgs, que dota de masa a las demás partículas elementales. El modelo estaba completo, pero era y aún es insuficiente como para explicar el Cosmos. En esta entrevista, Carena aborda algunas de las limitaciones de dicho modelo y hace mención de teorías tales como las basadas en el concepto de supersimetría, que procuran suministrar pistas sobre cuestiones aún no respondidas.

¿Por qué existe esa demanda de teorías tendientes a reformar o extender el Modelo Estándar?
Ese modelo funciona increíblemente bien. Ahora que conocemos el bosón de Higgs y su masa vemos que esa partícula se encaja adecuadamente en él. Pero esto no quiere decir que no tenemos más nada que hacer. El modelo explica todo muy bien hasta los niveles de energías a los cuales tenemos acceso. Pero existen algunas cosas respecto a las cuales no aporta respuestas satisfactorias. No explica, por ejemplo, la materia oscura [a decir verdad, el modelo suministra respuestas para tan sólo el 4% de la composición del Universo conocido y nada dice sobre el origen de su 23% de materia oscura y su 73% de energía oscura]. Tampoco da cuenta de la asimetría existente entre la cantidad de materia y antimateria observada en el Universo [en teoría, después del Big Bang había la misma cantidad de materia y antimateria, pero hasta ahora los astrofísicos sólo han encontrado partículas y poquísimas antipartículas prácticamente].

Colisión de protones en el LHC que puede haber generado el bosón de Higgs: la masa de la partícula es sumamente sensible

CMS/ CERN Colisión de protones en el LHC que puede haber generado el bosón de Higgs: la masa de la partícula es sumamente sensibleCMS/ CERN

Pero cuando se postuló el modelo todavía no se había descubierto la materia oscura.
Sí, eso mismo. En el Modelo Estándar, los neutrinos forman parte de la materia oscura, pero una parte mínima. Debe haber algo más. A decir verdad, no tenemos una idea clara de cuál puede ser la composición de la materia oscura. Puede estar formada por una partícula, por muchas partículas, por partículas masivas que interactúan débilmente, las Wimps [siglas en inglés de weakly interacting massive particles, por ahora sólo una propuesta teórica]. Puede estar formada por los axiones [hipotéticas partículas elementales], que existirían para explicar algunos problemas de cromodinámica cuántica dentro del Modelo Estándar. En síntesis, no sabemos de qué está hecha la materia oscura. Sólo sabemos que está ahí. Si no estuviera, no sabríamos explicar mucho de lo que vemos en la astrofísica.

¿Los neutrinos constituyen un problema grande para el Modelo Estándar?
Podemos decir que están más o menos dentro del Modelo Estándar. Están previstos, pero sin masa. Como hoy en día sabemos que tienen una masa muy pequeña, es posible que esa masa, y solamente la de los neutrinos, no provenga totalmente del bosón de Higgs. La masa de todas las partículas proviene del Higgs, pero es posible que otro mecanismo contribuya a dotar de masa a los neutrinos. Asimismo, de acuerdo con el Modelo Estándar, los neutrinos sólo podrían ser de mano izquierda. Pero actualmente sabemos que los neutrinos tienen masa y, para que sus oscilaciones ocurran, también deben existir los de mano derecha. Se dice que los neutrinos de mano izquierda cuando la dirección de su espín y la de su propagación son opuestas y de mano derecha si la dirección del espín y la de la propagación son iguales.

¿Esa idea de que podría haber otras formas de dotar de masa a las partículas valdría para todos los tipos de neutrinos?
Supongamos que existan solamente los tres neutrinos que actualmente conocemos, el del electrón, el del muón y el del tau. Es posible que la masa de esos tres neutrinos provenga en parte del mecanismo de Higgs y en parte de otra cosa. Existe una razón para pensar así. Puede ser que los neutrinos de mano derecha, en lugar de ser muy leves, tal como se cree, sean muy pesados. En ese caso, sería necesario un mecanismo distinto al de Higgs para generar esa masa. La idea de los neutrinos de mano derecha pesados ya es un tema que va más allá del Modelo Estándar.

¿La propia masa del bosón de Higgs también crea nuevos problemas?
Existe un problema conceptual: la masa del Higgs [alrededor de 125 gigaelectronvoltios (GeV)] es sumamente sensible a cualquier física nueva que sea relevante a escalas mucho menores que aquéllas que hemos probado. Debido a ello, debemos ajustar números gigantes para que las cosas funcionen en el Modelo Estándar. Desde el punto de vista teórico, esa solución es un poco incómoda. No es muy elegante. Tampoco sabemos por qué, comparativamente, una partícula como el neutrino tiene el tamaño de una hormiga mientras que otra, como el cuark cima, sería el equivalente a una ballena azul. Y entre esos dos extremos están todos los fermiones. ¿Qué genera tanta diferencia? Debe haber una forma de explicar eso, algo que el Modelo Estándar no hace. Puede ser que estemos totalmente equivocados, pero esas cuestiones nos llevaron a pensar en teorías supersimétricas y otras propuestas que van más allá del Modelo Estándar.

Simulación de materia oscura (en azul) y gas (en anarajado): sin explicación en el Modelo Estándar

Illustris Collaboration Simulación de materia oscura (en azul) y gas (en anarajado): sin explicación en el Modelo EstándarIllustris Collaboration

¿Qué son esas teorías?
Desde mi doctorado, hace más de 25 años, he venido trabajando con teorías supersimétricas. Hay dos grandes ramas de teorías supersimétricas. Una de ellas aspira a extender las simetrías entre los bosones y los fermiones [cada fermión conocido tendría un hipotético bosón como socio supersimétrico, con la misma masa y demás características, y cada bosón ya descubierto sería complementado por un respectivo fermión]. Es una idea sumamente elegante y se encaja bien con la teoría de cuerdas [esa teoría sostiene la idea de que todas las partículas elementales serían a decir verdad pequeñas cuerdas que vibran, y que podrían existir hasta 26 dimensiones del espacio-tiempo y múltiples universos]. Pero para que todo funcionara bien en ella, deberíamos haber encontrado algunas partículas supersimétricas a energías no muy arriba de aquéllas con las cuales trabaja el Grande Colisionador de Hadrones, el LHC [situado en el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares, el Cern]. Hace diez años empecé a trabajar con otra rama, paralela a la supersimetria: la de los llamados modelos compuestos. En esas teorías, todo funciona según el Modelo Estándar hasta un determinado nivel de energía. Arriba de un cierto punto, mil veces mayor que la masa del bosón de Higgs, existen interacciones fuertes y todo cambia. En ese caso, el bosón de Higgs, en lugar de ser una partícula escalar fundamental, estaría compuesto por otras partículas.

¿Habría entonces más partículas como el bosón de Higgs?
Sí, habría partículas hermanas. A decir verdad, se las denomina Higgs adicionales. En las teorías supersimétricas, puede haber varios Higgs y no sólo uno. En este momento, existen muchas opciones de teorías, algunas mejores que otras; algunas acomodan mejor a la materia oscura, por ejemplo. Lo importante es que hoy en día sabemos cuál es la masa del bosón de Higgs y también como interactúa con todas las partículas conocidas del Modelo Estándar. Con esta información, podemos dárnoslas de detectives y ver qué teorías funcionan mejor. En cada teoría que va más allá del Modelo Estándar, la forma de interacción del bosón de Higgs con esas partículas difiere un poco. En toda esa plétora de teorías, hay algunas que son más lindas que otras. Algunas son muy complicadas y prevén muchas otras partículas. Y algunas de esas partículas deberían ser vistas en el LHC. Al elegir una teoría, la forma de interacción del bosón de Higgs con las otras partículas cambia y también la cantidad de nuevas partículas, incluso la cantidad de nuevos Higgs.

¿Esos nuevos Higgs deberían interactuar con esas partículas desconocidas?
Sí y también con las partículas ya conocidas. Se está haciendo una búsqueda de todas esas nuevas partículas: higgs, fermiones y bosones extras. El LHC ya las ha buscado bastante y planteó muchas restricciones a nuestras previsiones. Por ejemplo, hoy en día se cree que nuevos fermiones deben estar arriba de un teraelectronvoltio (TeV) de energía. Siempre que alguien piensa en extender las teorías para explicar el Universo, me parece bárbaro. Pero, como teórica, pongo todo lo que me gustaría poner en mi modelo y veo qué habría que observar para sostenerlo. Si no lo encuentro, el modelo se cae. Cuando en 1999 estaba en el LEP [el Gran Colisionador de Electrones y Positrones, el antiguo acelerador del Cern, que precedió al LHC], ya se sabía que o bosón de Higgs debía estar entre 114 y 200 GeV.

Usted es una científica que hizo su carrera en un área dominada por varones. ¿Actualmente es más fácil para las mujeres destacarse en la física?
Cuando yo empecé no había mujeres en mi área en las cuales inspirarme. Actualmente esa situación ha cambiado. Mis alumnas ya cuentan con investigadoras que pueden servirles de modelo a ellas. Por ejemplo: yo soy amiga de Fabiola Gianotti [una física italiana que este año se convirtió en la nueva directora general del Cern]. Me parece importante contar con más mujeres en el área, pero no se puede contratar a una investigadora solamente porque es mujer. Hay que contratar a alguien cuando es bueno. Hoy en día muchos comités científicos pretenden que el 30% de sus miembros corresponda a mujeres. Eso es bueno; pero, como aún somos pocas, siempre terminan llamado a las mismas para integrar una cantidad muy grande de comités.

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