En 1977, Ray y Charles Eames estrenaron una película extraordinaria que, en sólo nueve minutos, abarcaba los límites del conocimiento humano. Powers of Ten comienza con una toma aérea de un hombre sobre una manta de picnic dentro de un marco de un metro cuadrado. La cámara se aleja: 10, luego 100 metros, después un kilómetro y, finalmente, hasta los límites entonces conocidos del universo observable: 10 elevado a 24 metros. Allí, en el punto más alejado, se invierte el movimiento. La cámara vuelve a acercarse, volando a través de las galaxias hasta llegar a la escena del picnic, donde se sumerge en la piel del hombre, profundizando a través de escalas sucesivamente más pequeñas: tejidos, células, ADN, moléculas, átomos y, finalmente, núcleos atómicos de 10 elevado a -14 metros. La suave voz en off del narrador pone fin al viaje: "Cuando un solo protón llena nuestra escena, alcanzamos el límite de la comprensión actual".

Durante el medio siglo transcurrido desde entonces, los físicos de partículas han explorado el paisaje subatómico desde el punto en el que se quedó Powers of Ten. En la actualidad, gran parte de este esfuerzo mundial se centra en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, un anillo subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia que se extiende a ambos lados de la frontera entre Suiza y Francia. Allí, potentes imanes guían a cientos de billones de protones mientras dan vueltas a casi la velocidad de la luz por debajo del campo. Cuando un protón que gira en el sentido de las agujas del reloj choca con otro que gira en sentido contrario, la transformación de materia en energía reduce los protones a escombros: electrones, fotones y otras partículas subatómicas más exóticas. Las partículas recién creadas explotan radialmente hacia el exterior, donde son captadas por los detectores.

En 2012, gracias a los datos del LHC, los investigadores descubrieron una partícula llamada bosón de Higgs. En el proceso, respondieron a una pregunta persistente: ¿De dónde obtienen su masa las partículas fundamentales, como las que componen todos los protones y neutrones de nuestro cuerpo? Medio siglo antes, los teóricos habían soñado cautelosamente con el bosón de Higgs, junto con un campo que lo acompañaría, que inundaría invisiblemente el espacio y proporcionaría masa a las partículas que interaccionaran con él. Cuando por fin se encontró la partícula, los científicos lo celebraron con champán. Poco después se concedió el Nobel a dos de los físicos que predijeron el bosón de Higgs.

Pero ahora, más de una década después de la emoción del hallazgo del bosón de Higgs, queda una sensación de inquietud, ya que aún quedan preguntas sin respuesta sobre los constituyentes fundamentales del universo.

Quizá la más persistente de estas cuestiones sea la identidad de la materia oscura, una misteriosa sustancia que une las galaxias y constituye el 27% de la masa del cosmos. Sabemos que la materia oscura debe existir porque tenemos observaciones astronómicas de sus efectos gravitatorios. Pero desde el descubrimiento del bosón de Higgs, el LHC no ha visto nuevas partículas, ni de materia oscura ni de ningún otro tipo, a pesar de haber casi duplicado su energía de colisión y quintuplicado la cantidad de datos que puede recoger. Algunos físicos han dicho que la física de partículas está en "crisis", pero hay desacuerdo incluso en esa caracterización: otro bando insiste en que el campo está bien y otros dicen que sí hay crisis, pero que la crisis es buena. "Creo que la comunidad de fenomenólogos de partículas se encuentra en una profunda crisis, y creo que la gente tiene miedo de decir esas palabras", afirma Yoni Kahn, teórico de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.

Las inquietudes de los físicos de partículas pueden parecer, a primera vista, un problema interno, pero en realidad, tienen que ver con el universo y con cómo podemos seguir estudiándolo. Los últimos 50 años de investigación nos han proporcionado una visión espectacularmente detallada de las leyes de la naturaleza, y cada descubrimiento sucesivo de partículas aclara cómo funcionan realmente las cosas en el fondo. Pero ahora, en la era post-Higgs, los físicos de partículas han llegado a un punto muerto en su búsqueda por descubrir, producir y estudiar nuevas partículas en los colisionadores. "No tenemos un faro fuerte que nos indique dónde buscar nueva física", afirma Kahn.

Así que, con crisis o sin ella, los investigadores están probando algo nuevo. Están rediseñando los detectores para buscar partículas de aspecto inusual, exprimiendo lo que pueden de los datos con aprendizaje automático y planificando tipos de colisionadores completamente nuevos. Las partículas ocultas que buscan los físicos han resultado ser más esquivas de lo que muchos esperaban, pero la búsqueda no ha terminado: la naturaleza sólo les ha obligado a ser más creativos.

Una teoría casi completa

Mientras los Eames terminaban Powers of Ten a finales de los años 70, los físicos de partículas ponían orden en un "zoo" de partículas que habían sido descubiertas en las décadas anteriores. Con cierta sorna, llamaron a este marco, que enumeraba los tipos de partículas y su dinámica, el Modelo Estándar.

A grandes rasgos, el Modelo Estándar separa las partículas fundamentales en dos tipos: fermiones y bosones. Los fermiones son los ladrillos de la materia: dos tipos de fermiones llamados quarks up y down, por ejemplo, están unidos en protones y neutrones. Si esos protones y neutrones se unen y encuentran un electrón (o electrones) que los orbite, se convierten en un átomo. Los bosones, en cambio, son la argamasa entre los ladrillos. Además de la gravedad, los bosones son responsables de todas las fuerzas fundamentales: el electromagnetismo, la fuerza débil, que interviene en la desintegración radiactiva, y la fuerza fuerte, que une los núcleos. Para transmitir una fuerza entre un fermión y otro, debe haber un bosón que actúe como mensajero. Por ejemplo, los quarks sienten el poder de atracción de la fuerza fuerte porque envían y reciben bosones llamados gluones.

El Modelo Estándar

Este marco reúne tres de las cuatro fuerzas fundamentales y reduce un zoológico difícil de controlar a sólo 17 partículas elementales.

Casi 50 años después, el Modelo Estándar sigue teniendo un éxito soberbio; incluso sometido a pruebas de estrés, predice correctamente propiedades fundamentales del universo, como las propiedades magnéticas del electrón y la masa del bosón Z, con una precisión extremadamente alta. Puede llegar mucho más allá de donde lo dejó Powers of Ten, a la escala de 10-20 metros, aproximadamente una 10.000ª parte del tamaño de un protón. "Es extraordinario que tengamos un modelo correcto de cómo funciona el mundo hasta distancias de 10-20 metros. Es alucinante", afirma Seth Koren, teórico de la Universidad de Notre Dame, en Indiana.

A pesar de su precisión, los físicos tienen muchas preguntas que el Modelo Estándar no responde: qué es realmente la materia oscura, por qué la materia domina sobre la antimateria cuando deberían haberse producido en cantidades iguales en el universo primitivo, y cómo encaja la gravedad en el cuadro.

A lo largo de los años, miles de artículos han sugerido modificaciones del Modelo Estándar para abordar estas cuestiones abiertas. Hasta hace poco, la mayoría de estos trabajos se basaban en el concepto de supersimetría, abreviado como "SUSY". En SUSY, los fermiones y los bosones son en realidad imágenes especulares unos de otros, de modo que cada fermión tiene un bosón homólogo, y viceversa. El fotón tendría un supercompañero llamado "fotino" en lenguaje SUSY, mientras que el electrón tendría un "selectrón". Si estas partículas tuvieran una masa elevada, estarían "ocultas", no se verían a menos que una colisión de energía suficientemente alta las dejara como escombros. En otras palabras, para crear estas superpartículas pesadas, los físicos necesitaban un potente colisionador de partículas.

Podría parecer extraño, y excesivamente complicado, duplicar el número de partículas del universo sin pruebas directas. El atractivo de SUSY residía en su elegante promesa de resolver dos complicados problemas. En primer lugar, las superpartículas explicarían la masa extrañamente baja del bosón de Higgs. El bosón de Higgs es unas 100 veces más masivo que un protón, pero las matemáticas sugieren que debería ser 100 cuatrillones de veces más masivo. (La solución rápida de SUSY es la siguiente: cada partícula que interactúa con el bosón de Higgs contribuye a su masa, haciendo que se infle. Pero cada superparte contrarrestaría la contribución de su homóloga ordinaria, consiguiendo controlar la masa del Higgs). La segunda promesa de SUSY: esas partículas ocultas serían candidatas ideales para la materia oscura.

SUSY era una solución tan ingeniosa a los problemas del Modelo Estándar que muchos físicos pensaron que encontrarían superpartículas antes de encontrar el bosón de Higgs cuando el LHC comenzó a tomar datos en 2010. En lugar de eso, ha habido un silencio rotundo. No solo no ha habido pruebas de SUSY, sino que se han descartado muchos de los escenarios más prometedores en los que las partículas SUSY resolverían el problema de la masa del bosón de Higgs.

Al mismo tiempo, muchos experimentos no colisionadores diseñados para detectar directamente el tipo de materia oscura que se vería si estuviera formada por superpartículas han resultado vacíos. "La falta de pruebas, tanto en la detección directa como en el LHC, es una información muy importante que el campo todavía está digiriendo", dice Kahn.

Algunos teóricos dirigen ahora su búsqueda lejos de los aceleradores de partículas y hacia otras fuentes de partículas ocultas. Masha Baryakhtar, teórica de la Universidad de Washington, utiliza datos de estrellas y agujeros negros. "Estos objetos son realmente de alta densidad, a menudo de alta temperatura. Y eso significa que tienen mucha energía que ceder para crear nuevas partículas", afirma Baryakhtar. En sus hornos nucleares, las estrellas podrían producir montones y montones de otro candidato a materia oscura llamado axión. Hay experimentos en la Tierra que pretenden detectar esas partículas cuando llegan a nosotros. Pero si una estrella está gastando energía para crear axiones, también habrá señales reveladoras en las observaciones astronómicas. Baryakhtar espera que estos cuerpos celestes sean un complemento útil a los detectores de la Tierra.

Otros investigadores están encontrando formas de dar nueva vida a viejas ideas como SUSY. "Creo que SUSY es maravilloso; lo único que no es maravilloso es que no lo hayamos encontrado", bromea Karri DiPetrillo, experimentalista de la Universidad de Chicago. Señala que SUSY no está ni mucho menos descartada. De hecho, algunas versiones prometedoras de SUSY que dan cuenta de la materia oscura (pero no de la masa de Higgs) no han sido probadas en absoluto.

Después de que las investigaciones iniciales no encontraran SUSY en los lugares más obvios, muchos investigadores empezaron a buscar "partículas de larga vida" (LLP), una clase genérica de partículas potenciales que incluye muchas posibles superpartículas. Dado que los detectores están diseñados principalmente para detectar partículas que decaen de forma inmediata, la búsqueda de LLP obliga a los investigadores a pensar de forma creativa.

"Tienes que conocer los detalles del experimento en el que estás trabajando de una forma realmente íntima", afirma DiPetrillo. "Ese es el sueño: utilizar tu experimento y llevarlo al máximo".

Los dos detectores de uso general del LHC, ATLAS y CMS, son un poco como cebollas, con capas concéntricas de hardware de seguimiento de partículas. La mayor parte del desorden inicial de las colisiones de protones (chorros y lluvias de quarks) se desintegra inmediatamente y es absorbido por las capas internas de la cebolla. La capa más externa del detector está diseñada para detectar los caminos limpios y en forma de arco de los muones, que son versiones más pesadas de los electrones. Si un LLP creado en la colisión llegara al rastreador de muones y luego se desintegrara, la trayectoria de la partícula sería extraña, como un golpe de béisbol desde la primera base en lugar del plato de home. Una búsqueda reciente realizada por la colaboración CMS utilizó este enfoque para buscar LLP, pero no encontró ninguna evidencia de ellas.

Los investigadores que analizan los datos a menudo no tienen ninguna fe en que una búsqueda en particular arroje nueva física, pero de todos modos sienten la responsabilidad de buscar. "Debemos hacer todo lo que esté a nuestro alcance para asegurarnos de no dejar piedra sin remover", dice DiPetrillo. "Lo peor del LHC sería que estuviéramos produciendo partículas SUSY y no las encontráramos".

Agujas en pajares de alta energía

Buscar nuevas partículas no es sólo una cuestión de creatividad con el hardware; también es un problema de software. Mientras está en funcionamiento, el LHC genera alrededor de un petabyte de datos de colisiones por segundo, una auténtica manguera de información. Menos del 1% se guarda, explica Ben Nachman, físico de datos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley: "Ahora mismo no podemos grabar en cinta un petabyte por segundo".

Tratar con esos datos será cada vez más importante en los próximos años a medida que el LHC reciba su actualización de “alta luminosidad”. A partir de finales de la década, el HL-LHC funcionará con la misma energía, pero registrará unas 10 veces más datos de los que el LHC ha acumulado hasta ahora. El impulso vendrá de un aumento en la densidad del haz: meter más protones en el mismo espacio genera más colisiones, lo que se traduce en más datos. A medida que el encuadre se llena de decenas de colisiones, el detector empieza a parecerse a un cuadro de Jackson Pollock, con salpicaduras de partículas imposibles de desenredar.

Para manejar la creciente carga de datos y buscar nueva física, los físicos de partículas están tomando prestado de otras disciplinas, como el aprendizaje automático y las matemáticas. “Hay mucho espacio para la creatividad y la exploración y, en realidad, para pensar de manera muy amplia”, dice Jessica Howard, fenomenóloga de la Universidad de California en Santa Bárbara.

Uno de los proyectos de Howard implica aplicar la teoría del transporte óptimo, un área de las matemáticas que se ocupa del movimiento de cosas de un lugar a otro, a la detección de partículas. (Este campo tiene sus raíces en el siglo XVIII, cuando el matemático francés Gaspard Monge estaba pensando en la forma óptima de excavar tierra y moverla). Convencionalmente, la “forma” de una colisión de partículas (aproximadamente, los ángulos en los que las partículas volar—ha sido descrito por variables simples. Pero utilizando herramientas de la teoría del transporte óptimo, Howard espera ayudar a los detectores a ser más sensibles a nuevos tipos de desintegraciones de partículas que tienen formas inusuales y a ser más capaces de manejar las mayores tasas de colisiones del HL-LHC.

Como ocurre con muchos enfoques nuevos, existen dudas y problemas que resolver. "Es una idea realmente bonita, pero no tengo idea de para qué sirve en este momento", dice Nachman sobre la teoría del transporte óptimo. Es un defensor de nuevos enfoques de aprendizaje automático, algunos de los cuales espera que permitan a los investigadores realizar tipos de búsquedas completamente diferentes y "buscar patrones que de otro modo no podríamos haber encontrado".

Aunque los físicos de partículas fueron los primeros en adoptarlo y han estado utilizando el aprendizaje automático desde finales de la década de 1990, la última década de avances en el aprendizaje profundo ha cambiado drásticamente el panorama.

Más potencia

La energía de los colisionadores de partículas (medida por la energía combinada de dos partículas en colisión) ha aumentado a lo largo de las décadas, abriendo nuevos campos de la física que explorar.

"[El aprendizaje automático] casi siempre puede mejorar las cosas", afirma Javier Duarte, experimentalista de la Universidad de California en San Diego. En la búsqueda de agujas en pajares, la capacidad de cambiar la relación señal-ruido es crucial. A menos que los físicos descubran mejores métodos de búsqueda, más datos no servirán de mucho, sólo habrá más paja.

Una de las aplicaciones más notables, aunque discretas, de este tipo de trabajo es refinar la imagen del Higgs. Aproximadamente el 60% de las veces, el bosón de Higgs se desintegra en un par de quarks inferiores. Los quarks inferiores son difíciles de encontrar entre el desorden de escombros en los detectores, por lo que los investigadores tuvieron que estudiar el Higgs a través de sus desintegraciones en un par de fotones fácil de detectar, aunque eso sucede sólo alrededor del 0,2% del tiempo. Pero en el lapso de unos pocos años, el aprendizaje automático ha mejorado drásticamente la eficiencia del etiquetado de quarks inferiores, lo que permite a los investigadores otra forma de medir el bosón de Higgs. "Hace diez años, la gente pensaba que esto era imposible", dice Duarte.

El bosón de Higgs es de importancia central para los físicos porque puede informarles sobre el campo de Higgs, el fenómeno que da masa a todas las demás partículas elementales. Aunque algunas propiedades del bosón de Higgs han sido bien estudiadas, como su masa, otras (como la forma recursiva en que interactúa consigo mismo) siguen siendo desconocidas con algún tipo de precisión. Medir esas propiedades podría descartar (o confirmar) teorías sobre la materia oscura y más.

Lo realmente interesante del aprendizaje automático es su potencial para una clase de búsquedas completamente diferente llamada detección de anomalías. "El Higgs es más o menos lo último que se descubrió y donde realmente supimos lo que estábamos buscando", dice Duarte. Los investigadores quieren utilizar el aprendizaje automático para encontrar cosas que no saben buscar.

En la detección de anomalías, los investigadores no le dicen al algoritmo qué buscar. En cambio, le dan datos al algoritmo y le dicen que los describa con la menor cantidad de bits de información posible. Actualmente, la detección de anomalías aún es incipiente y no ha dado lugar a ningún indicio importante de nueva física, pero sus defensores están ansiosos por probarla con datos del HL-LHC.

Debido a que la detección de anomalías tiene como objetivo encontrar cualquier cosa que esté lo suficientemente fuera de lugar, los físicos llaman a este estilo de búsqueda "independiente del modelo": no depende de ninguna suposición real.

No todo el mundo está totalmente de acuerdo. A algunos teóricos les preocupa que este enfoque sólo genere más falsas alarmas del colisionador: más irregularidades en los datos, como “protuberancias de dos sigma”, llamadas así por su bajo nivel de certeza estadística. Generalmente se trata de casualidades que eventualmente desaparecen con más datos y análisis. A Koren le preocupa que esto suceda aún más con una técnica tan abierta: "Parece que quieren tener una máquina que encuentre más protuberancias de dos sigma en el LHC".

Nachman me dijo que recibió muchas críticas; Dice que un físico experimentado le dijo: "Si no tienes un modelo particular en mente, no estás haciendo física". Las búsquedas basadas en modelos específicos, dice, han sido sorprendentemente productivas (señala el descubrimiento del bosón de Higgs como un excelente ejemplo), pero no tienen por qué ser el final de la historia. “Dejemos que los datos hablen por sí solos”, afirma.

Máquinas más grandes

Una cosa que a los físicos de partículas les gustaría mucho en el futuro es una mayor precisión. El problema con los protones es que cada uno de ellos es en realidad un conjunto de quarks. Aplastarlos es como una pelea subatómica por comida. Chocar partículas indivisibles como electrones (y sus antipartículas, positrones) entre sí da como resultado colisiones mucho más limpias, como las que tienen lugar en una mesa de billar. Sin este desorden, los investigadores pueden realizar mediciones mucho más precisas de partículas como el Higgs.

Un colisionador electrón-positrón produciría tantos bosones de Higgs de forma tan limpia que a menudo se le llama "fábrica de Higgs". Pero actualmente no existen colisionadores electrón-positrón que tengan energías cercanas a las necesarias para sondear el bosón de Higgs. Una posibilidad en el horizonte es el Futuro Colisionador Circular (FCC). Para ello habría que excavar en Suiza un anillo subterráneo de 90 kilómetros de circunferencia, tres veces el tamaño del LHC. Estas obras costarían probablemente decenas de miles de millones de dólares, y el colisionador no se pondría en marcha hasta casi 2050. Hay otras dos propuestas de colisionadores de electrones y positrones a más corto plazo en China y Japón, pero la geopolítica y los problemas presupuestarios, respectivamente, las hacen menos atractivas.

A los físicos también les gustaría avanzar hacia energías superiores. "La estrategia literalmente nunca nos ha fallado", dice Homiller. "Cada vez que hemos pasado a energías superiores, hemos descubierto una nueva capa de la naturaleza". Será casi imposible hacerlo con los electrones; Debido a que tienen una masa tan baja, irradian alrededor de un billón de veces más energía que los protones cada vez que giran alrededor de un colisionador. Pero según el plan del CERN, el túnel de la FCC podría reutilizarse para colisionar protones a energías ocho veces mayores que las posibles en el LHC, dentro de unos 50 años. "Es fantástico y completamente sólido desde el punto de vista científico", afirma Homiller. "Creo que el CERN debería hacerlo".

¿Podríamos llegar a energías superiores más rápido? En diciembre, el Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas (P5) presentó una visión del futuro próximo del campo. Además de abordar prioridades urgentes como la financiación continuada de la mejora del HL-LHC y los planes de telescopios para estudiar el cosmos, el P5 también recomendó llevar a cabo un "muon shot", un ambicioso plan para desarrollar tecnología para hacer colisionar muones.

La idea de un colisionador de muones ha seducido a los físicos por su potencial para combinar altas energías y -dado que las partículas son indivisibles- colisiones limpias. Hasta hace poco, parecía inalcanzable: los muones se desintegran en sólo 2,2 microsegundos, por lo que es muy difícil trabajar con ellos. En la última década, sin embargo, los investigadores han hecho grandes progresos, demostrando que, entre otras cosas, debería ser posible controlar la nube de energía que generan los muones en desintegración cuando se aceleran alrededor de la máquina. Los partidarios de un colisionador de muones también destacan su menor tamaño (16 kilómetros), su calendario más rápido (siendo optimistas, en 2045) y la posibilidad de que se ubique en Estados Unidos (concretamente, en el Laboratorio Nacional Fermi, a unos 80 kilómetros al oeste de Chicago).

Hay muchas advertencias: un colisionador de muones todavía enfrenta serios obstáculos técnicos, financieros y políticos, e incluso si se construye, no hay garantía de que descubra partículas ocultas. Pero especialmente para los físicos más jóvenes, el respaldo del panel a la investigación y el desarrollo de colisionadores de muones es más que una simple recomendación de política; es una apuesta por su futuro. "Esto es exactamente lo que esperábamos", dice Homiller. "Esto abre un camino para tener esta frontera apasionante y totalmente diferente de la física de partículas en Estados Unidos". Es una frontera que él y otros están deseosos de explorar.

Dan Garisto es un periodista independiente de física que reside en la ciudad de Nueva York.