¿Hay teorías alternativas al modelo estándar de partículas?

Sería más apropiado hablar de extensiones del modelo estándar que de alternativas. Si hablamos de alternativas queremos decir que creemos que el modelo estándar es incorrecto, pero no es así. El modelo estándar de física de partículas es a la vez muy exitoso y claramente incompleto. Ha sido capaz de hacer predicciones muy precisas sobre el comportamiento de las partículas fundamentales, pero no permite responder a algunas de las preguntas más profundas sobre el universo.

Lo que nos dice el modelo estándar es que todo el universo está hecho de unos pocos bloques básicos que son las partículas fundamentales que están gobernadas por cuatro fuerzas fundamentales. Sin embargo el modelo estándar solo nos permite describir tres de esas fuerzas lo que ya supone una limitación. Pero a la vez funciona porque hace posible explicar muy bien lo que observamos y la mayoría de los resultados experimentales.

Lo que nos dice el modelo estándar es que todo el universo está hecho de unos pocos bloques básicos que son las partículas fundamentales que están gobernadas por cuatro fuerzas fundamentales

El modelo estándar es una teoría desarrollada a principio de los años setenta y que ha sido refinada en los años siguientes hasta establecerse a día de hoy como una teoría física muy bien probada. No solo hace muchas predicciones correctas, sino que también nos ha guiado hasta nuevos descubrimientos. Por ejemplo, en 2012, encontramos el bosón de Higgs, la última pieza del rompecabezas prevista por el modelo.

Un problema que tiene el modelo es que solo incluye tres de las cuatro fuerzas fundamentales: la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte. No incluye la gravedad que es la que conocemos más porque nos afecta en mayor medida en la vida cotidiana. Pero es muy difícil encajarla cómodamente en el modelo estándar. Esto es así porque la teoría cuántica que es la que describe el mundo microscópico, es decir las partículas elementales, y la teoría general de la relatividad que utilizamos para describir el mundo macroscópico, es decir, el mundo real, son muy difíciles de encajar en un solo marco de manera matemáticamente compatible. Aunque en la realidad cuando analizamos la física de partículas en la escala más pequeña el efecto de la gravedad es tan débil que resulta insignificante. Por eso, el modelo estándar funciona tan bien a pesar de no incluir la gravedad.

Una de las preguntas más importantes a las que el modelo estándar no aporta de momento respuesta satisfactoria es la física de neutrinos

Una de las preguntas más importantes a las que el modelo estándar no aporta de momento respuesta satisfactoria es la física de neutrinos. Según el modelo estándar, los neutrinos son partículas sin masa. Pero no es así. Gracias a los experimentos sabemos que tienen masa y que esta es muy pequeña. Así que necesitamos una extensión del modelo que explique cómo se origina su masa.

También hemos descubierto en observaciones astrofísicas y cosmológicas el problema de la materia oscura. Gracias a estas observaciones sabemos que el modelo estándar solo explica alrededor del 5% del contenido total del universo en cuanto a energía y materia. Pero las observaciones nos dicen que un 27% tiene que estar compuesto por materia oscura que interacciona gravitacionalmente con el resto de la materia y que no se puede ver. El modelo estándar no ha suministrado ninguna partícula que pueda ser una buena candidata para la materia oscura. Pero esto es verdad solo en parte porque, por sus características, los neutrinos constituyen una parte mínima de la materia oscura. Pero para explicarla toda necesitamos una partícula nueva.

Hay otras limitaciones del modelo aunque pueden deberse simplemente a algo que no acabamos de entender bien. Una de ellas es la simetría materia-antimateria. El universo está hecho básicamente de materia. Sin embargo se podría pensar que al principio, cuando se formó, se debería haber producido materia y antimateria en cantidades casi iguales. Aunque esto no es lo que observamos porque la antimateria es muy, muy poca. Y el modelo estándar no nos da ninguna explicación del origen de esta asimetría.

Y otro problema está relacionado con la energía oscura, o realmente con contestar a la pregunta de por qué se acelera la expansión del universo. Se supone que está relacionada con la energía oscura que se supone que constituye alrededor del 68% del cosmos, pero de la que sabemos muy poco. Y esto tampoco lo explica el modelo estándar.

Estos son problemas de tipo observacional. Después hay otras características del modelo estándar que se añaden ad hoc y que pueden implicar una falta de comprensión por nuestra parte. Hay muchas extensiones propuestas, teorías y modelos que intentan abordar uno o más de esos problemas. En mi caso, como trabajo en física de neutrinos y materia oscura, lo que suelo estudiar son extensiones del modelo estándar que explican la masa del neutrino, para ello necesitamos generalmente introducir nuevas partículas que no están en el modelo. A veces, esas nuevas partículas tienen también las características para ser buenas candidatas a materia oscura y nos permiten así resolver dos de las limitaciones del modelo estándar a la vez.

Valentina De Romeri es doctora en Física de Partículas y Astrofísica e investigadora del Instituto de Física Corpuscular (CSIC-Universitat de València).

Pregunta enviada vía email por Maximiliano Aguilera Echevarria

Coordinación y redacción: Victoria Toro

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