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Los físicos del colisionador Tevatron en el Fermilab han informado sobre señales en sus datos que apuntan a la posible existencia de nuevas partículas fundamentales.

El experimento CDF del Fermilab. ¿Se han hallado nuevas partículas? Crédito de la imagen: Fermilab (pulsar sobre la imagen para ampliarla)

Los físicos del colisionador Tevatron en el Fermilab, en Batavia, Illinois (EEUU), que está disfrutando de una prórroga de su estatus de colisionador de partículas más potente del mundo mientras el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN espera a ser reparado, han informado sobre señales en sus datos que apuntan a la existencia de nuevas partículas fundamentales. La semana pasada, miembros del experimento CDF (Collider Detector at Fermilab: Colisionador-Detector en Fermilab), uno de los dos gigantescos detectores de partículas del Tevatron, enviaron un artículo preliminar que detallaba una extensa muestra de colisiones protón-antiprotón que no pueden explicarse ni por la peculiaridades del detector CDF ni por los procesos conocidos del Modelo Estándar de física de partículas.

Si finalmente se comprueba que el resultado se debe algún nuevo proceso inesperado, sería el descubrimiento más significativo en la física de partículas en décadas. Sin embargo, casi una tercera parte de los aproximadamente 600 colaboradores del CDF (incluyendo algunos grupos universitarios completos) decidieron no incluir sus nombres en el artículo, al creer que la publicación es prematura y que aún es necesario realizar más comprobaciones.

"Se trata de un efecto muy interesante y estadísticamente significativo", dice el miembro del CDF Mark Lancaster, uno de los que retiraron su nombre del artículo. "El espíritu del artículo es exponer los datos al resto del mundo para que puedan ser revisados por otros, pero el análisis es aún un trabajo en proceso".

Sin pretensiones

Afirmar un descubrimiento de la física más allá del Modelo Estándar (con 35 años de antigüedad) no es algo que los físicos se tomen a la ligera, razón por la cual el artículo de 70 paǵinas del CDF no realiza tal afirmación. En vez de ello, describe un subconjunto de colisiones protón-antiprotón que producen mesones y antimesones B que recorren una cierta distancia antes de desintegrarse en pares de muones, seguidos por el detector interno del CDF. De unos 300.000 casos en los que al menos un muon se originó fuera del radio de 1,5cm del tubo del haz (beam pipe: el tubo del haz colima los haces de partículas a velocidades relativistas, concentrándolos en un punto para que ocurra la colisión) del Tevatron, el CDF encuentra unos 70.000 que contienen más muones de los esperados.

"Presentamos los hechos al desnudo", dijo el líder del análisis Paulo Giromini. "Nos reímos de nosotros mismos al publicar el artículo en Halloween y llamar a los eventos fantasmas, pero hemos llevado a cabo todas las comprobaciones que se nos podían ocurrir. Si bien cada característica individual de la señal se puede explicar extendiendo la incertidumbre sistemática de la respuesta de nuestro detector, no somos capaces de establecer una correlación entre las distintas características".

Al contrario que algunas posibles indicaciones de descubrimientos en la física de partículas, como los supestos avistamientos del bosón de Higgs en el LEP, el anterior colisionador del CERN, en 2000, los datos del CDF no están limitados por incertidumbres estadísticas derivadas de un reducido tamaño muestral. En cambio, los investigadores deben asegurarse de que las lecturas del detector del CDF son totalmente fiables en la región próxima al tubo del haz del Tevatron y deben convencerse a sí mismos (y entre ellos) de que los procesos de fondo del Modelo Estándar (muchos de los cuales dependen de una detallada comprensión de la cromodinámica cuántica) no proporcionan una explicación más mundana.

De hecho, el portavoz del CDF, Jacobo Konigsberg, explicó: "aún no hemos descartado una explicación mundana de estos casos, y quiero dejar esto muy claro", y añadió que es importante que otros experimentos verifiquen el efecto.

Peter Renton, de la Universidad de Oxford, dice que estudios independientes dentro del CDF están investigando distintos procesos de fondo del Modelo Estándar. "El grupo de Oxford del CDF [que no aparece en el artículo] cree que estos estudios deberían completarse antes de extraer conclusiones sobre la naturaleza de estos efectos", dijo.

¿Tu modelo o el mío?

El procedimiento de veto del CDF, en el que se asignan padrinos a las publicaciones, que deben ser bendecidas antes de publicarse al mundo exterior, obligó a retirar del artículo original partes que trataban sobre posibles interpretaciones de los fenómenos de exceso desde que se presentara internamente en julio. Pero poco después de que fuese enviado la semana pasada, Giromini, junto con otros seis, publicaron otro artículo preliminar a última hora del viernes en el que sugieren que las anomalías se pueden explicar mediante la existencia de tres nuevas partículas con masas de aproximadamente 15, 7,3 y 3,6 GeV.

Aunque el equipo no sabe qué mecanismo podría producir inicialmente la partícula más pesada, la idea es que esta partícula se desintegra en las más ligeras, que a su vez se desintegran en pares de partículas tau (versiones pesadas de los muones) y, finalmente, en muones. Dado que se supone que el estado más ligero se desintegraría en un par de taus con un tiempo de vida de unos 20ps, esto podría explicar los misteriosos muones que se originan más allá del tubo del haz.

Con toda seguridad otras interpretaciones surgirán. De hecho, el mes pasado Nina Arkani Hamed del Instituto para el Estudio Avanzado en Princeton y Neal Weiner de la Universidad de Nueva York predijeron una señal como la que se produjo en el CDF a partir de una "teoría superunificada de la materia oscura". construida en parte para explicar posibles avistamientos de materia oscura por el experimento PAMELA, que recientemente detectó un exceso de positrones en datos de rayos cósmicos.

"Explicaciones sencillas para el exceso detectado por PAMELA parecen precisar que nuevas partículas en la escala del GeV se desintegren en leptones [entre los que se incluyen taus y muones]", dijo Weiner. "Sin duda es emocionante que el CDF pueda estar observando un evento similar, pero el que nosotros observamos parece ocurrir a un ritmo demasiado bajo para explicar lo que ellos ven, y hará falta mucho trabajo antes de que podamos determinar si los fenómenos son consistentes".

Validaciones cruzadas

El análisis del CDF tiene paralelismos con otro liderado por Giromini en 2003, relacionado con posibles signos de novedades en la física por un exceso de los chorros de partículas en los datos tempranos del CDF. Es justamente esta meticulosa comparación entre los datos y las simulaciones lo que los físicos del LHC tendrán que llevar a cabo en los próximos años en su búsqueda de nuevas partículas, sólo que con detectores bastante más complicados (y por el momento comprendidos en menor medida) que los del Tevatron.

Todos los ojos están ahora puestos en el experimento hermano del CDF, DO, para ver si es capaz de localizar el mismo exceso de muones, respaldando la hipótesis de nuevos fenómenos. "Acabamos de descubrir estos resultados el viernes, pero el detector DO tiene un excelente sistema para los muones, de modo que deberíamos ser capaces de realizar una significativa validación cruzada de este exceso", explicarom los portavoces del DO, Darien Wood y Dmitri Denisov. "No vamos a parar todo lo demás, pero trataremos de investigarlo seriamente".

Mientras tanto, Giromini quiere evitar que el sensacionalismo sobre el exceso de muones del CDF. "En mi opinión personal, el análisis del CDF no fue especialmente controvertido, pero los resultados pusieron la piel de gallina a unos cuantos", dice.

Aunque es muy poco habitual que tantos miembros de un grupo de colaboración de física de partículas retiren su nombre de un artículo, Jacobo Konigsberg dice que en general todo transcurrió con normalidad. "Es de esperar que haya gente que se sienta incómoda por firmar un artículo preliminar tan técnico, que presenta resultados que no se pueden explicar completamente y que puede que finalmente tengan una explicación mundana", dijo.