Añadir seis nuevas partículas al modelo Estándar de la física ayudaría a explicar cinco grandes misterios del Universo para los que actualmente no existe respuesta: ¿qué produjo la inflación en el principio del Universo?, ¿qué estabilizó al bosón de Higgs para que tomara el especial valor que tiene hoy?, ¿por qué el Big Bang produjo más materia que antimateria?, ¿de qué está formada la materia oscura?, ¿por qué las interacciones fuertes son iguales para materia y antimateria? Cuatro científicos, entre los que se encuentra Javier Redondo, físico de partículas de la Universidad de Zaragoza y el Instituto Max Planck, en Múnich, acaban de realizar esta propuesta. Pero ¿cuáles son esas partículas? Este nuevo modelo, denominado SMASH (Standard Model Axion See-saw Higgs portal inflation), describe cómo son y para qué sirve cada una de las partículas planteadas, tal como se recoge en un artículo publicado por la revista ‘Physical Review Letters’.

Más allá del modelo Estándar

Durante los últimos 50 años, para describir cómo funciona el Universo los físicos se han apoyado en el modelo Estándar de la física, que incluye tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza: electromagnetismo, interacción fuerte e interacción débil, dejando fuera la gravedad. Sin embargo, esta teoría no explica una serie de cuestiones importantes. Acaba de proponerse un nuevo modelo, llamado Smash, que plantea añadir seis nuevas partículas.

¿Cuáles son las seis partículas que se proponen en el nuevo modelo?

La partícula central es un nuevo tipo de bosón, parecido al de Higgs pero con una masa mucho mayor, que aparece íntimamente asociado a la segunda partícula, el axión, que constituiría la totalidad de la materia oscura del Universo. También harían falta tres nuevos neutrinos para explicar la pequeña masa de los conocidos, así como la asimetría entre materia y antimateria (en el Big Bang tendría que haberse creado la misma cantidad de antimateria que de materia, sin embargo, hoy domina esta) y, finalmente, un nuevo quark. El nuevo modelo tiene la virtud de introducir un número reducido de partículas y nuevos acoplamientos que permiten calcular la evolución del Universo desde el primer momento en que sabemos algo del mismo, el periodo de inflación que explica la homogeneidad del Universo a gran escala.

¿Qué es la materia oscura?

Un gas frío de partículas débilmente interactuantes de naturaleza desconocida que abunda en el Universo. Sus débiles interacciones le permitieron condensarse más eficientemente que la materia ordinaria después del Big Bang y formar las semillas de las galaxias, cúmulos de galaxias, entre otros, que de otro modo no existirían.

¿Por qué los neutrinos son tan ligeros?

En Smash, los neutrinos conocidos adquieren su masa mezclándose muy ligeramente con nuevos neutrinos dextrógiros muy masivos. Podemos pensar que los neutrinos del modelo estándar (que no tienen masa) están obligados a viajar siempre con una pequeña cantidad de neutrino muy pesado. La cantidad de nuevo neutrino que arrastran es tan pequeña que los neutrinos resultantes se comportan como si tuvieran una masa tremendamente pequeña. Es el conocido mecanismo del balancín o ‘see-saw’.

¿Qué causó la inflación del Universo?

En el modelo Smash, solamente una bien temperada combinación de los dos Higgs (el ya conocido y el nuevo) puede tener la energía suficiente para producir la expansión inflacionaria, detenerla y disipar la energía sobrante produciendo la radiación que fue el origen del Big Bang ‘caliente’. El nuevo Higgs es imprescindible para asegurar que nuestro Higgs conocido no presenta inestabilidades.

¿Por qué hay más materia que antimateria?

En Smash, cuando los neutrinos producidos en el Big Bang caliente se desintegran, tienden a producir más electrones (materia) que antielectrones (antimateria). Esto es debido a la interferencia cuántica de varios procesos de desintegración al mismo tiempo. Cuando el Universo alcanza temperaturas mucho más bajas, unos complicados procesos electrodébiles transforman parte de los electrones en quarks, que luego se convertirán en protones y neutrones. Así, parte de la asimetría leptónica se convierte en bariónica y también resulta en mayor número de protones que antiprotones.

El grupo de trabajo que ha planteado el modelo Smash está formado por Javier Redondo, especialista en física de partículas y cosmología, sobre todo de partículas hipotéticas del estilo del axión; Guillermo Ballesteros, de la Universidad París Saclay; Andreas Ringwald, del Instituto Max Planck de Física; y Carlos Tamarit, de la Universidad de Durham. Ring-wald contactó con Ballesteros y Tamarit para cerciorarse de que el nuevo Higgs podía ‘curar’ todas las inestabilidades del actual Higgs y con Redondo para asegurar que la cosmología era correcta. Calcular el recalentamiento del Universo después de la inflación resultó una tarea extremadamente complicada de la que es responsable el físico aragonés.

Javier Redondo investigador Ramón y Cajal en la Universidad de Zaragoza y en el Instituto de Física Max Planck en Múnich, Alemania