Cómo exploramos las preguntas incontestadas de la Física

James Beacham busca respuestas a las preguntas más importantes abiertas de la física utilizando el mayor experimento científico jamás creado, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. En esta charla divertida y accesible acerca de cómo la ciencia ocurre, Beacham nos lleva a un viaje a través de dimensiones extraespaciales en busca de partículas fundamentales no descubiertas (y una explicación para los misterios de la gravedad) y detalla el impulso para seguir explorando.

Hay algo acerca de la física

que realmente me molesta
desde que era un niño pequeño.

Y está relacionado con una pregunta

que los científicos se han hecho
durante casi 100 años,

sin respuesta.

¿Cómo hacer que las cosas
más pequeñas en la naturaleza,

las partículas del mundo cuántico,

estén a la altura de las cosas
más grandes de la naturaleza,

los planetas, las estrellas y
las galaxias unidas por la gravedad?

De niño, me gustaba romperme
la cabeza con preguntas como esta.

Me gustaba ver con microscopios
y electroimanes,

y me gustaba leer
sobre las fuerzas pequeñas

y la mecánica cuántica

y me maravillaba de lo bien
que la descripción casaba

con nuestra observación.

Entonces miraba las estrellas,

y leía sobre lo bien
que entendemos la gravedad,

y creo que, sin duda, debe haber
alguna manera elegante

en que estos dos sistemas coincidan.

Pero no hay.

Y los libros decían,

entendemos mucho de
estos dos reinos por separado,

pero al intentar vincularlos
matemáticamente,

todo se rompe.

Y desde hace 100 años,

ninguna de nuestras ideas sobre cómo
resolver este desastre, desde la física,

jamás ha sido refrendada
por la evidencia.

Y para el viejito de mí,

pequeño, curioso y escéptico James,

esta era una respuesta
sumamente insatisfactoria.

Por lo tanto, sigo siendo
un niño escéptico.

Y saltando ahora a diciembre de 2015,

es cuando me encontré justo en el medio

del mundo de la física
dándome vueltas en la cabeza.

Todo comenzó cuando en el CERN vimos
algo intrigante en nuestros datos:

un indicio de una nueva partícula,

indicio de una respuesta extraordinaria
posiblemente a esta pregunta.

Así que sigo siendo
un niño escéptico, creo,

pero también soy ahora
cazador de partículas.

Soy físico del Gran Colisionador
de Hadrones del CERN,

el experimento científico
más grande jamás montado.

Es un túnel de 27 km en la
frontera de Francia y Suiza

enterrado a 100 m bajo tierra.

Y en este túnel

usamos imanes superconductores
más fríos que el espacio exterior

para acelerar protones
a casi la velocidad de la luz

haciéndolos chocar entre sí
millones de veces por segundo,

recogiendo los restos de estas colisiones

a la búsqueda de nuevas partículas
fundamentales, sin descubrir.

Su diseño y construcción
significaron décadas de trabajo

de miles de físicos de todo el mundo,

y en el verano de 2015,

trabajamos sin descanso
para encender el LHC

con el mayor índice de
intensidad energética

que los humanos hayamos usado jamás
en un experimento colisionador.

El aumento de energía es importante

porque para las partículas,
existe una equivalencia

entre la energía
y la masa de la partícula,

y la masa es solo un número
puesto allí por la naturaleza.

Para descubrir nuevas partículas,

tenemos que llegar
a estos números más grandes.

Y para hacerlo, hay que construir

un colisionador más grande
de energía más alta,

y el más grande y más alto colisionador
de energía en el mundo

es el Gran Colisionador de Hadrones.

Y luego, colisionamos protones
miles de billones de veces,

y recogemos estos datos
lentamente durante meses y meses.

Y nuevas partículas podrían aparecer
en nuestros datos como protuberancias,

leves desviaciones
respecto a lo que se espera,

grupitos de datos que forman
una línea suave, no tan suave.

Por ejemplo, esta protuberancia,

después de meses tomando datos en 2012,

nos condujo al descubrimiento
de la partícula de Higgs,

el bosón de Higgs,

y un Premio Nobel por
la confirmación de su existencia.

Este salto en la energía en 2015

representó la mejor oportunidad que
como especie habíamos tenido jamás

de descubrir nuevas partículas.

Nuevas respuestas
a estas preguntas antiguas,

porque era casi el doble
de energía que usamos

cuando descubrimos el bosón de Higgs.

Muchos de mis colegas habían trabajado
toda su carrera para este momento

y, francamente, para el pequeño curioso

este fue el momento que había
estado esperando toda mi vida.

Así que el 2015 ya es tiempo pasado.

En junio de 2015,

el colisionador se volvió a encender.

Mis colegas y yo contuvimos
la respiración y nos mordimos las uñas

y, finalmente, vimos las
primeras colisiones de protones

con la energía más alta de la historia.

Aplausos, champán, celebración.

Este fue un hito para la ciencia,

y no teníamos ni idea de lo que
encontraríamos con esta información nueva.

Y luego un par de semanas más tarde,
nos encontramos con una protuberancia.

No era una protuberancia muy grande,

pero lo bastante grande como
para hacer alzarnos las cejas.

Pero en una escala de 1 a 10
de alzamiento de ceja,

si el 10 indica que has descubierto
una nueva partícula,

ese alzamiento de ceja era de 4.

(Risas)

He pasado horas, días, semanas
en reuniones secretas,

discutiendo con mis colegas
sobre esta pequeña protuberancia,

auscultando y pinchando con nuestros
palos experimentales más implacables

para ver si se podría
resistir el escrutinio.

Pero incluso después de meses
de trabajar febrilmente,

durmiendo en las oficinas
y no yendo a casa,

a base de barras de caramelo para la cena,

café a cubos...

Los físicos son máquinas para
transformar café en diagramas.

(Risas)

Esta pequeña protuberancia no desaparecía.

Así que después de unos meses,

presentamos nuestra protuberancia
al mundo con un mensaje muy claro:

esta pequeña protuberancia es
interesante, pero no definitiva,

por eso la mantendremos en observación
mientras tomamos más datos.

Así que intentábamos ser
extremadamente prudentes con esto.

Y el mundo se hizo con
la noticia de todos modos.

La noticia encantó.

La gente decía que les recordaba
a la pequeña protuberancia

que se mostró en el trascurso del
descubrimiento del bosón de Higgs.

Mejor que eso, mis colegas teóricos,

me encantan mis colegas teóricos,

mis colegas teóricos escribieron unos
500 artículos sobre esta protuberancia.

(Risas)

El mundo de la física de partículas
había sido puesto patas arriba.

Pero ¿qué tenía
esta protuberancia en particular

que hizo que miles de físicos
perdieran colectivamente la calma?

Esta protuberancia era única.

Esta pequeña protuberancia indicaba

que estábamos viendo un inesperado
gran número de colisiones

cuyos restos consistía
en solo dos fotones,

dos partículas de luz.

Y eso es raro.

Las colisiones de partículas no son
como las colisiones de automóviles.

Tienen reglas diferentes.

Cuando dos partículas colisionan
a casi la velocidad de la luz,

el mundo cuántico toma el control.

Y en el mundo cuántico,

estas dos partículas pueden crear
brevemente una nueva partícula

que vive una pequeña fracción de segundo

antes de separarse en otras partículas
que colisionan nuestro detector.

Imaginen un accidente de auto, donde
dos autos se desvanecen en el impacto,

y una bicicleta aparece en su lugar.

(Risas)

Y después la bicicleta explota
en dos monopatines,

que afecta nuestro detector.

(Risas)

Con suerte, no literalmente.

Son muy caros.

Eventos en los que solo dos fotones
golpean el detector son muy raros.

Y debido a las propiedades cuánticas
de los fotones especiales,

hay un número muy pequeño
de posibles nuevas partículas,

esas míticas bicicletas...

pueden dar a luz a solo dos fotones.

Pero una de estas opciones es enorme,

y tiene que ver con el tema antiguo

que me ocupaba de niño,

sobre la gravedad.

La gravedad puede parecer
muy fuerte para uno,

pero en realidad es muy débil comparada
con otras fuerzas de la naturaleza.

Puedo vencer brevemente
la gravedad cuando salto,

pero no puedo recoger
un protón de mi mano.

La fuerza de la gravedad en comparación
con las otras fuerzas de la naturaleza

es de 10 a la menos 39.

Eso es un número decimal
con 39 ceros detrás.

Peor que eso,

todas las otras fuerzas conocidas de la
naturaleza están perfectamente descritas

por eso lo llamamos modelo estándar,

nuestra mejor descripción actual de la
naturaleza en sus escalas más pequeñas

y, francamente,

uno de los logros
más exitosos de la humanidad,

a excepción de la gravedad, que
está ausente en el modelo estándar.

Es una locura.

Es casi como si la mayor parte de
la gravedad hubiese desaparecido.

Sentimos un poco de ella,

pero ¿dónde está el resto?

Nadie sabe.

Pero una explicación teórica
propone una solución salvaje.

Uds. y yo...

incluso en la parte posterior,

vivimos en tres dimensiones del espacio.

Espero que sea una afirmación
no controvertida.

(Risas)

Todas las partículas conocidas también
viven en tres dimensiones del espacio.

De hecho, una partícula
es solo otro nombre

para una excitación en
un campo tridimensional;

un bamboleo localizado en el espacio.

Más importante aún, las matemáticas
usadas para describir toda esta materia

suponen que solo hay
tres dimensiones del espacio.

Pero las matemáticas son las matemáticas,
y podemos jugar con ellas como queramos.

Y la gente ha jugado con las
dimensiones extra del espacio

un largo tiempo,

pero siempre ha sido un concepto
matemático abstracto.

Es decir, mirando alrededor,
no solo atrás, sino alrededor,

claramente hay solo
tres dimensiones del espacio.

Pero ¿y si eso no es verdad?

¿Qué pasa si la gravedad que falta
se filtra en una dimensión extraespacial

invisible para Uds. y para mí?

¿Qué pasa si la gravedad fuera
tan fuerte como las otras fuerzas

si Uds. pudieran verla
en esta dimensión extraespacial,

y lo que Uds. y yo experimentamos
es una pequeña porción de la gravedad

que la hace parecer muy débil?

Si esto fuera cierto,

deberíamos ampliar
el modelo estándar de partículas

para incluir una partícula adicional, una
partícula hiperdimensional de la gravedad,

un gravitón especial que vive en
las dimensiones extraespaciales.

Veo las miradas en sus caras.

Debería hacerme yo la pregunta:

"¿Cómo vamos a probar
esta loca idea de ciencia ficción,

atrapados como estamos
en tres dimensiones?"

Como siempre lo hacemos,

colisionando dos protones

(Risas)

con tanta fuerza que la colisión reverbera

en cualquier dimensión extraespacial
que podría estar allí,

creando momentáneamente
este gravitón hiperdimensional

que luego regresa
a las tres dimensiones del colisionador

y escupe dos fotones,

dos partículas de luz.

Y este hipotético
gravitón extradimensional

es una de las únicas posibles
nuevas partículas hipotéticas,

que tiene las propiedades
especiales cuánticas

que podría generar nuestra pequeña
protuberancia de dos fotones.

Por lo tanto, la posibilidad de
explicar los misterios de la gravedad

y de descubrir las dimensiones
extraespaciales...

tal vez ahora se dan una idea

de por qué miles de frikis de la física
perdieron colectivamente la calma

ante la pequeña protuberancia
de dos fotones.

Un descubrimiento de este tipo
sería reescribir los libros de texto.

Pero recuerden,

nuestro mensaje como experimentadores

que hacían este trabajo en el momento,

fue muy claro:

necesitamos más datos.

Con más datos,

la pequeña protuberancia bien podría
convertirse en un premio Nobel en ciernes,

(Risas)

O los datos adicionales deberán rellenar
el espacio alrededor de la protuberancia

y convertirla
en una línea agradable y suave.

Así que tomamos más datos,

y cinco veces más datos,
varios meses después,

nuestra pequeña protuberancia

se había convertido en una línea suave.

La noticia informó una "gran decepción"
de "esperanzas marchitas,"

y de "la tristeza de los
físicos de partículas".

Teniendo en cuenta
el tono de la cobertura,

se podría pensar que habíamos decidido
cerrar el colisionador y volver a casa.

(Risas)

Pero eso no es lo que hicimos.

¿Pero por qué no?

Es decir, si no he descubierto
una partícula, y no lo hice,

si no he descubierto una partícula,
¿por qué estoy aquí hablando con Uds.?

¿Por qué no se me cae la cara de vergüenza

y vuelvo a casa?

Los físicos de partículas
somos exploradores.

Y mucho de lo que hacemos es cartografiar.

Lo pondré de esta manera: olvídense
del colisionador por un segundo.

Imaginen que son exploradores espaciales
que llegan a un planeta distante,

a la búsqueda de extraterrestres.

¿Cuál es su primera tarea?

Para orbitar de inmediato el planeta,
aterrizar, echar un vistazo alrededor

en busca de signos evidentes de la vida,

e informar a la base.

Esa es la etapa que estamos ahora.

Echamos un primer vistazo
en el colisionador

buscando partículas nuevas,
grandes, obviamente detectables,

y podemos informar que no hay ninguna.

Vimos una protuberancia extraña de
aspecto raro en una montaña lejana,

pero al acercarnos,
vimos que era una roca.

Pero entonces, ¿qué hacemos?
¿Nos damos por vencidos y nos vamos?

Por supuesto que no.

Seríamos científicos terribles
si nos rindiéramos.

No, pasamos las siguientes
dos décadas explorando,

cartografiando el territorio,

tamizando la arena
con un instrumento fino,

mirando debajo de cada piedra,

perforando la superficie.

Nuevas partículas pueden
mostrar ya sea de inmediato

protuberancias grandes, evidentes,

o pueden revelarse
tras años de toma de datos.

La humanidad acaba de comenzar
su exploración con el colisionador,

en este coloso de alta energía,
y tenemos mucho que hacer.

Pero ¿y si, incluso tras 10 o 20 años,
seguimos sin encontrar nuevas partículas?

Construimos una máquina más grande.

(Risas)

Buscamos con energías mayores.

Buscamos con altas energías.

Están planeadas
para un túnel de 100 km

que colisionará partículas
a 10 veces la energía del LHC.

No decidimos donde la naturaleza
coloca nuevas partículas.

Solo decidimos seguir explorando.

Pero ¿y si, incluso tras construir
un túnel de 100 km

o un túnel de 500 km

o un colisionador de 10 000 km
que flote en el espacio

entre la Tierra y la luna,

seguimos sin encontrar nuevas partículas?

Entonces, tal vez estamos explorando
mal la física de partículas.

(Risas)

Tal vez tenemos que volver
a pensar las cosas.

Tal vez necesitamos más recursos,
tecnología, experiencia,

que lo que tenemos actualmente.

Ya usamos técnicas de aprendizaje
automático y de inteligencia artificial

en algunas partes del colisionador,

pero imaginen el diseño de
un experimento de física de partículas

que usa algoritmos sofisticados

que podrían autoaprender para descubrir
un gravitón hiperdimensional.

¿Pero y si...?

¿Qué pasa si, en última instancia,

la inteligencia artificial no nos ayuda
a responder nuestras preguntas?

¿Y si estas preguntas
durante siglos no resueltas,

no tuvieran respuestas
en un futuro inmediato?

¿Y si las cosas que
me molestaban desde niño

están destinadas a no tener respuestas
en el transcurso de mi vida?

Entonces...

eso será aún más fascinante.

Nos veremos obligados a pensar
en formas completamente nuevas.

Tendremos que volver
a nuestras suposiciones,

y determinar si hay
un defecto en alguna parte.

Y necesitaremos para animar a más gente
unirnos en el estudio de la ciencia

ya que necesitamos una mirada nueva
sobre estos problemas centenarios.

No tengo las respuestas
y aún estoy en busca de ellas.

Pero alguien, tal vez ella está
en la escuela en este momento,

tal vez ella ni siquiera
ha nacido todavía,

podría finalmente guiarnos para ver
la física de forma completamente nueva,

e indicarnos que tal vez estamos
haciendo las preguntas equivocadas.

Lo que no sería el fin de la física,

sino el comienzo de una novela.

Gracias.

(Aplausos)