Àngels Ramos Gómez: la física de precisión permitirá encontrar indicios de la “Nueva Física”

Estamos en la era de lo que se llama “física de precisión” que permitirá encontrar indicios de “nueva física” más allá del Modelo Estándar, señala en la siguiente entrevista Àngels Ramos Gómez, Catedrática de Física Nuclear y coordinadora de la cumbre mundial de física nuclear que se celebró la semana pasada en Barcelona, de la que nos explica sus entresijos.

Àngels Ramos Gómez es Profesora Catedrática de Física Nuclear en la Universidad de Barcelona. Ha realizado investigaciones teóricas sobre diversos temas de física nuclear y de hadrones. Sus intereses abarcan desde la descripción de la materia en condiciones extremas de temperatura y densidad, con implicaciones en fenómenos astrofísicos, hasta la comprensión de la naturaleza interna de los hadrones exóticos. Es autora de más de 150 artículos revisados por pares y ha presentado más de 150 contribuciones en congresos.

Cumbre mundial de física nuclear en Barcelona

Reconocida en el campo de la física nuclear con "extrañeza" (partículas que contienen el quark "extraño"), es frecuentemente invitada a dar charlas sobre la situación actual y las perspectivas futuras de esta disciplina. Ha dirigido 8 tesis doctorales. Ha sido miembro del Comité Asesor Internacional de varios congresos internacionales y ha organizado 14 de estos eventos. Además, ha sido miembro del Consejo de Física Nuclear de la Sociedad Europea de Física (1999-2001) y del Comité Científico de los Laboratori Nazionali di Frascati (2015-2022). Fue la coordinadora de la décima Conferencia Internacional de Quarks y Física Nuclear (QNP2024) celebrada la semana pasada en Barcelona, de la que explica en la siguiente entrevista sus principales planteamientos y conclusiones.

¿Qué temas más significativos se han abordado en la QNP2024?

El congreso QNP2024 ha reunido unos doscientos científicos de más de veinte países para exponer los últimos avances y descubrimientos en física hadrónica y nuclear, que ayudan a comprender cómo son las partículas que componen la materia que nos rodea y cómo interaccionan entre ellas, a la vez que estimulan a abrir nuevas líneas de investigación. La temática principal del congreso gira en torno a la comprensión de interacción fuerte, una de las interacciones fundamentales de la naturaleza (junto con la electromagnética, la gravitatoria o la débil) y que es la responsable de mantener unidos los protones y neutrones en los núcleos atómicos. Sabemos que los protones y neutrones no son partículas elementales, sino que están compuestos de quarks y gluones. En general, las partículas compuestas por quarks y gluones se llaman “hadrones”. El protón y el neutrón del núcleo atómico son ejemplos de hadrones, pero hay muchísimos más, que se crean en los aceleradores de partículas. Entender la estructura de estos “hadrones” en base a la cromodinámica cuántica, la teoría asociada a la interacción fuerte, es uno de los grandes desafíos de la física de partículas del siglo XXI.

¿Qué aportaciones han sido las más relevantes de esta conferencia en torno a las interacciones fuertes, los hadrones exóticos, nuevos modelos nucleares o nuevos estados de la materia?

En el congreso se han presentado los nuevos “núcleos exóticos” que han sido sintetizados en grandes instalaciones experimentales como RIKEN (Japón), TRIUMF (Canadá) o GSI (Alemania), entre otras. Se trata de núcleos atómicos que tienen muchos más neutrones que protones. Son muy inestables (se desintegran rápidamente y por eso no forman parte de la materia que nos rodea), pero son un eslabón importantísimo en la cadena que explica cómo se sintetizan los elementos más pesados (como el oro, o el uranio…) y por ello su estudio ayuda a comprender la composición actual del Universo y su evolución.

También se han debatido los avances en la descripción de la materia en condiciones extremas de temperatura o densidad (como el plasma de quarks y gluones que se formó justo después del Big Bang y se recrea en aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN), o la que se genera en una colisión de estrellas de neutrones, fenómeno astrofísico extremo que ha sido observado mediante ondas gravitacionales. Finalmente, se han presentado los últimos hadrones descubiertos, especialmente los exóticos (tetraquarks, pentaquarks), cuyo estudio nos da pistas para desvelar los misterios de la interacción fuerte.

¿En qué ámbitos de conocimiento inciden estas aportaciones?

Es importante destacar que los avances en física nuclear y hadrónica tienen gran impacto en otras áreas de conocimiento. En el ámbito de astrofísica, por ejemplo, las investigaciones encaminadas a crear nuevos elementos permitirán entender el fenómeno de la nucleosíntesis en el Universo, mientras que los estudios destinados a caracterizar el comportamiento de la materia nuclear en condiciones extremas ayudarán a comprender las propiedades y la composición interna de las estrellas de neutrones. En el ámbito de la física de partículas, los experimentos de desintegración doble-beta de los núcleos, que buscan dilucidar la naturaleza de los neutrinos, explorarán los límites del Modelo Estándar, mientras que medidas muy precisas de procesos nucleares y hadrónicos podrían dar lugar a la detección de la materia oscura.

De lo que se expuesto en esta conferencia, ¿se ha avanzado algo en la configuración de la Nueva Física más allá del Modelo Estándar?

El Modelo Estándar describe el comportamiento de la materia que nos rodea a partir de unas partículas elementales (los quarks, los electrones …) y las fuerzas que se ejercen entre ellas a través del intercambio de partículas mediadoras. La interacción fuerte, que mantiene los protones y neutrones unidos a los núcleos, es el resultado del intercambio de gluones entre quarks. La interacción electromagnética, que mantiene los electrones unidos a los núcleos para formar los átomos de la materia, es el resultado del intercambio de fotones entre partículas con carga eléctrica. La interacción débil, responsable de la desintegración de los núcleos y de la radioactividad que producen, es el resultado del intercambio de unas partículas muy masivas llamadas bosones Z⁰, W⁺ y W^-. La interacción gravitatoria, muy débil comparada con las otras tres, no tiene cabida en el Modelo Estándar porque hasta la fecha no ha podido ser descrita mediante una teoría cuántica a partir del intercambio de una partícula elemental. A pesar de la elegancia y los exitosos resultados del Modelo Estándar, hay todavía muchísimos interrogantes por responder. En el congreso se han presentado medidas muy precisas de las propiedades de los núcleos y de las interacciones hadrónicas, que están en claro conflicto con el Modelo Estandar y marcan la necesidad de ir más allá de sus límites. Se han analizado y debatido los avances en las investigaciones sobre “nueva física” (encaminadas a entender el origen de las discrepancias con el Modelo Estándar) que permitirán descubrir en un futuro no muy lejano cual es la naturaleza de la elusiva materia oscura (¡que compone el 85% de la masa de nuestro universo!) o el origen y jerarquía de la masa de los neutrinos.

¿Qué aplicaciones relevantes pueden esperarse de las aportaciones realizadas en esta conferencia?

Las investigaciones que se debaten en este congreso pertenecen a lo que se conoce como “ciencia básica” cuyo objetivo primordial es contribuir a la generación de conocimiento, tratando de explicar los fenómenos observados en el marco de teorías conocidas, o cambiarlas o modelarlas para encajar las nuevas observaciones. No obstante, los experimentos en este campo se realizan en grandes instalaciones experimentales donde se trabaja continuamente para ganar eficacia en la aceleración y detección de las partículas, lo que implica grandes avances en desarrollos tecnológicos como el uso de nuevos materiales, la construcción de imanes más potentes, etc.

Este esfuerzo tiene un claro retorno a la sociedad. Ha impulsado, por ejemplo, el diseño mejorado de unidades de diagnóstico médico por imagen (PET, TAC…) o la puesta a punto de tratamientos de radioterapia más precisos como la protonterapia.  

El aumento en la eficacia de los experimentos también ha generado la necesidad de transmitir datos con mayor rapidez y aumentar la capacidad de almacenamiento, incentivando el desarrollo de mejoras tecnológicas que pueden ser incorporadas en nuestra vida cotidiana. El ejemplo más claro lo encontramos en la World Wide Web, que se diseñó en el CERN a principios de los noventa para que diversos grupos experimentales ubicados en todo el mundo pudieran acceder fácilmente a la información generada en los experimentos y navegar a voluntad entre distintos nodos. Hoy en día no podríamos vivir sin Internet.

¿Qué retos principales afronta la física nuclear y la física hadrónica del siglo XXI?

La física nuclear y la física hadrónica del siglo XXI presentan diversos retos científicos fascinantes, como es la comprensión fundamental de las interacciones fuertes, el estudio de nuevos hadrones exóticos, el desarrollo de modelos nucleares más precisos o la exploración de nuevos estados de la materia. Gracias a nuevos desarrollos tecnológicos y de análisis de datos, estamos en la era de lo que se llama “física de precisión” que permitirá encontrar indicios de “nueva física” más allá del Modelo Estándar.

¿Qué más sorpresas nos puede deparar el núcleo atómico?

Es claramente una incógnita. Precisamente el último conferenciante de QNP2024, Rolf Ent, expuso el proyecto del “Electron Ion Colider” que se construirá en Estados Unidos. Este colisionador actúa como un gigantesco microscopio para explorar la estructura interna de los protones y neutrones que componen el núcleo atómico. Se pretende comprender cómo las propiedades de estas partículas (su masa, su espín) emergen a partir de su complejidad interna en términos de quarks y gluones. Como dice Ent: “sin los gluones que unen los quarks, no habría protones y neutrones, ni núcleos atómicos... ¡no habría mundo visible!”.

¿Cuál es la conclusión principal que puede resumir lo que ha significado la QNP2024?

El congreso QNP2024 ha sido fundamental para dar altavoz a los últimos avances y descubrimientos en física nuclear y hadrónica, ayudando a orientar y diseñar futuras investigaciones. Además, el congreso ha facilitado la creación de conexiones y colaboraciones nuevas entre grupos de todo el mundo, promoviendo la unión de esfuerzos, el intercambio de conocimientos y experiencias, y optimizando recursos para avanzar más rápidamente en la comprensión de los retos que aún quedan por resolver en estas disciplinas.