Inventario final. Tres artículos de misterios (la materia que falta, la antimateria que faltó, los números cifrados) más los heredados del camino (la masa del neutrino, la gravedad sin cuantizar, un vacío quizá provisional). Este último artículo ordena cómo se ataca todo eso — y cierra el nivel mirando el presupuesto completo de lo que hay.
La composición del cosmos según la cosmología de precisión (satélite Planck). Pulsa cada franja.
Materia ordinaria (5%): Todo el Modelo Estándar — cada átomo, estrella, planeta y persona; todos los artículos de este sitio. El 5%. Y de ese 5%, la mayoría es gas intergaláctico: las estrellas son la décima parte.
La lectura incómoda: la física de partículas, la teoría más precisa jamás construida, describe el 5% del universo. El otro 95% es la razón de que este módulo — y esta ciencia — sigan abiertos.
Las tres fronteras
El ataque está organizado, desde hace décadas, en tres frentes complementarios. La frontera de la energía: más √s para fabricar directamente lo que exista — el LHC de alta luminosidad esta década, y el debate del FCC (91 km, primero fábrica de Higgs electrón-positrón, luego 100 TeV de protones: la «precisión primero, fuerza bruta después» que ya conoces). La frontera de la intensidad: no subir la energía sino el número — billones de sucesos para cazar lo rarísimo o lo prohibido: DUNE e Hyper-K (CP de neutrinos), los buscadores de doble beta, Mu2e y MEG-II (μ → e, la reacción prohibida cuyo hallazgo sería física nueva instantánea), LHCb y Belle II (CP en quarks), los EDMs de mesa. Y la frontera cósmica: usar el universo como detector — xenón bajo tierra, axiones en cavidades, IceCube, el fondo de microondas… y desde 2015 las ondas gravitacionales, un sentido completamente nuevo que ya pesa agujeros negros y sondea el universo primitivo.
El ciclo de vida de una anomalía
Problema. ¿Cómo muere (o triunfa) una discrepancia con el Modelo Estándar? Dos casos reales de esta década.
Caso 1 — el g−2 del muón. El momento magnético del muón (primo del g−2 del electrón, la joya de QED) mostró durante 20 años una discrepancia de ~4σ entre experimento y teoría. Fermilab refinó la medida a precisión exquisita… y el desenlace llegó por el otro lado: los cálculos teóricos mejorados (QCD en retícula para la parte hadrónica, la más difícil) se movieron hacia el experimento, y en 2025 la anomalía quedó esencialmente disuelta. Moraleja: una «anomalía» es experimento menos teoría — y ambos lados tienen barras de error.
Caso 2 — la masa del W. En 2022, el experimento CDF publicó una masa del W discrepante a 7σ de la predicción electrodébil. ¿Descubrimiento? Las medidas independientes (ATLAS, CMS, LHCb) fueron llegando… todas compatibles con el Modelo Estándar y no con CDF. Moraleja: la del módulo de detectores — sin réplica independiente no hay descubrimiento, y los sigmas no capturan errores sistemáticos.
Resultado. Así se ve la frontera de verdad: no un desierto ni una revolución permanente, sino un flujo constante de tensiones de 3–4σ de las que casi todas mueren — y por eso el listón está donde está. La que sobreviva a réplicas y teoría mejorada será el próximo capítulo de la historia que contaba el módulo I.1.
Los especímenes aún respirando. Para que veas el ciclo en directo, dos tensiones vivas a día de hoy. Una: las desintegraciones b → cτν prefieren el tau algo más de lo que el Modelo Estándar predice (el cociente R(D*), ~3σ llevan años sin morir ni confirmarse — LHCb y Belle II lo persiguen). Y dos: la «anomalía de Cabibbo» — la primera fila de la matriz CKM suma un pelín menos de 1 (~2-3σ), y nadie sabe si es física nueva o un sistemático en las medidas nucleares. Ninguna de las dos da todavía para nota de prensa; ambas son exactamente el tipo de grieta del 3σ que o se disuelve… o abre el próximo capítulo. Vivir con ellas sin resolverlas es el estado natural del oficio.
Cierre del Nivel I
Mira lo que llevas en la mochila. Sabes quién (el zoo: 17 elementales, cientos de compuestas, y las fichas para leerlas), cómo (fuerzas = intercambios; la regla de Yukawa; la escalera de tempos), qué está permitido (el método del auditor: conservación, simetrías y sus roturas), cómo se mira (del sincrotrón al trigger, de la V en la burbuja a los 5σ), y qué falta (este módulo). Sabes encadenarlo: la lentitud de la beta mide el vacío de Higgs; la vida media delata al verdugo; el cero sospechoso pide una ley. Ese kit — leer números, auditar reacciones, desconfiar de sigmas solitarios — es, en versión conceptual, el oficio entero.
Lo que no sabes hacer todavía es calcular: predecir la vida media exacta del muón, la sección eficaz de un proceso, el ángulo del codo de la foto. Para eso hacen falta cuadrivectores, amplitudes y los diagramas de Feynman como herramienta de cálculo y no como metáfora — exactamente el programa del Nivel II, con Griffiths de guía: la asignatura de la espinita, hecha con calma y con todos los ejemplos del mundo. La cinemática relativista te espera en II.1 — y el primer ejercicio será, cómo no, el umbral del Bevatrón que este nivel dejó a deber.
Nivel I completo. 8 módulos, 32 artículos y sus visualizaciones. Si has llegado hasta aquí: ya no lees titulares de física de partículas — los auditas. Nos vemos en el Nivel II.
Ejercicios
Clasifica en su frontera (energía / intensidad / cósmica) y justifica: (a) medir el autoacoplamiento del Higgs; (b) encontrar μ → eγ; (c) detectar el retroceso de un núcleo de xenón en una mina; (d) medir CP en oscilaciones de neutrinos.
Solución
(a) Energía: producir pares de Higgs exige √s y luminosidad — HL-LHC y FCC. (b) Intensidad: es una desintegración prohibida; se necesitan 10¹⁵ muones, no más GeV. (c) Cósmica: la fuente es el halo de la galaxia; el detector solo espera. (d) Intensidad (haces de neutrinos brutales sobre 1300 km) — con un pie en la cósmica, porque el mismo detector (Hyper-K) vigilará supernovas y desintegración del protón. Las fronteras comparten hardware: el mapa es de estrategias, no de tribus.
Un preprint anuncia «partícula nueva a 4,2σ» en un solo experimento. Con el kit del curso completo, escribe las tres preguntas que harías antes de emocionarte.
Solución
(1) ¿Cuántos sitios miraron? — efecto «mirar en todas partes»: 4,2σ locales pueden ser 2σ globales si se escanearon mil ventanas. (2) ¿Hay experimento independiente con sensibilidad comparable, y qué ve? — el patrón J/ψ (dos a la vez: real) contra CDF-W (uno solo: sistemático). (3) ¿Qué lado puede estar equivocado, experimento o predicción? — el g−2 enseñó que la teoría también tiene barras de error. Y de propina la pregunta del auditor: ¿qué ley de conservación tendría que respetar esa partícula, y cuadra con lo no-visto en otros canales? Quien hace estas preguntas ya no es público: es gremio.
Ejercicio final del Nivel I. Elige el misterio de este módulo que más te pique y escribe — en tres frases, con al menos dos números del curso — por qué es un problema y qué experimento en marcha podría moverlo. Sin solución esta vez: es tuyo.
Una posible vara de medir
Si tus tres frases contienen un número medido, un veto o ley de conservación, y el nombre de un experimento con su observable — has aprendido exactamente lo que este nivel quería enseñar. Compara tu elección dentro de unos años con lo que haya pasado: la gracia de las preguntas abiertas es que se cierran.
Todo lo que el módulo deja utilizable, con dónde se dedujo cada cosa. Pensado para leerse dentro de seis meses sin releer nada: si para resolver un problema típico del módulo hay que volver al texto a buscar una constante, esta tabla ha fallado.
| Qué | Fórmula o valor | Dónde |
|---|---|---|
| Presupuesto cósmico | 5% materia ordinaria · 27% materia oscura · 68% energía oscura. La oscura es el ~85% de la materia y ×5 la ordinaria | art. 01 e interactivo del art. 04 |
| Cuatro relojes dando la misma hora | Curvas de rotación planas (Rubin, años 70) · cúmulos demasiado rápidos (Zwicky, 1933) · lentes gravitacionales · fondo cósmico de microondas | art. 01 |
| El cúmulo Bala | El gas chocó y quedó en el medio brillando en rayos X; las lentes sitúan la masa donde siguieron las galaxias. Mata la gravedad modificada y mide que la materia oscura casi no choca ni consigo misma | art. 01, ej. resuelto |
| Perfil del sospechoso | Masiva, neutra, sin color, estable durante 13 800 millones de años y casi sin choques. Nadie del zoo lo cumple | art. 01 — cobra el censo de I.2 |
| Por qué el neutrino no sirve | Con m < 0,1 eV nació relativista: materia oscura «caliente» que se escapa de los pozos pequeños y alisa las galaxias enanas. La estructura observada exige materia oscura fría | art. 01, ej. 2 — es de donde sale la cota cosmológica de I.6 |
| Densidad local | ~0,3 GeV/cm³. En una habitación de 30 m³ (3×10⁷ cm³): ~10⁷ GeV ≈ diez millones de protones ≈ 1,6×10⁻¹⁷ g. Si son WIMPs de 100 GeV, ~10⁵ te atraviesan por cm² y segundo | art. 01, ej. 1 |
| Los dos candidatos | WIMP (GeV–TeV; el «milagro»: su abundancia térmica reliquia sale justo la observada) y axión (ligerísimo, propuesto para otra cosa) | art. 01 |
| Las tres estrategias de caza | Directa (toneladas de xenón en minas, retroceso nuclear) · indirecta (productos de aniquilación en los halos) · en colisionador (monojet + energía faltante) | art. 01 — la firma de colisionador se diseñó en I.5 |
| Estado de cuentas | Cincuenta años de evidencia gravitatoria, cero detecciones de partícula. El xenón ha ganado un factor ~10 000 en sensibilidad en dos décadas | art. 01 |
| La niebla de neutrinos | Un ν solar de ⁸B (~8 MeV) golpea coherentemente el xenón y le cede ~keV: la señal del WIMP, suceso a suceso indistinguible. El flujo solar (~6×10¹⁰ cm⁻²s⁻¹) no se apantalla | art. 01, ej. 3 — B irreducible: hay que cambiar de observable, no de detector |
| Asimetría bariónica | η = nB/nγ ≈ 6×10⁻¹⁰: un barión superviviente por cada ~1600 millones de fotones del fondo | art. 02 — medida por dos vías que coinciden: nucleosíntesis y fondo cósmico |
| No hay antigalaxias | Las fronteras entre regiones de materia y antimateria brillarían en gamma de aniquilación. El cielo está limpio | art. 02 |
| Las tres condiciones de Sájarov (1967) | (1) violar B · (2) violar C y CP · (3) salirse del equilibrio térmico (en equilibrio, el balance detallado deshace todo exceso) | art. 02 y ej. 1 — prometidas en I.4 |
| El Modelo Estándar, auditado | (1) Sí, por esfalerones (cambian B conservando B−L). (2) Sí: C al máximo, CP un poquito. (3) No: con mH = 125 GeV la transición electrodébil es suave. Y la CP de la CKM es muchos órdenes de magnitud demasiado pequeña | art. 02, ej. resuelto — tiene los tres mecanismos y falla en cantidad |
| Lo que costó fabricarte | 2×10²⁸ nucleones × 1,6×10⁹ ≈ 3×10³⁷ pares aniquilados ≈ 10²⁸ J (un par de decenas de soles durante un segundo), hoy diluidos en el fondo a 2,7 K | art. 02, ej. 2 |
| Dónde se busca al cómplice | Leptogénesis (CP en oscilaciones: DUNE, Hyper-K; y doble beta sin neutrinos) · más CP en quarks (LHCb, Belle II) · momentos dipolares eléctricos | art. 02 — la cadena entera se montó en I.6 |
| EDM del electrón | < 4×10⁻³⁰ e·cm — equivalente a medir la Tierra con error de un átomo. Un experimento de mesa con moléculas frías compitiendo con el LHC | art. 02 |
| Por qué un EDM violaría T | Al invertir el tiempo el espín se invierte y la separación de cargas no: un dipolo fijado al espín daría un estado físicamente distinto ⇒ T rota ⇒ (por CPT) CP rota | art. 02, ej. 3 — es el experimento de Wu del siglo XXI |
| Problema de la jerarquía | Las correcciones cuánticas arrastran mH hacia la escala de Planck (10¹⁹ GeV). Que mida 125 exige cancelaciones de 34 decimales | art. 03 — la aritmética se hace en III.2 |
| Por qué al Higgs y no al electrón | El electrón lo protege la quiralidad: sus correcciones son ∝ su propia masa. Un escalar de espín 0 no tiene simetría protectora — el único escalar del zoo es el único desprotegido | art. 03, ej. 1 |
| La supersimetría, ausente | Cancelaría las correcciones por diseño y predijo compañeros al alcance del LHC. Quince años de búsqueda: nada hasta ~2 TeV | art. 03 |
| Problema del sabor | ~26 parámetros medidos a mano; 12 Yukawas de 3×10⁻⁶ a 1; tres generaciones que nadie pidió (Rabi, 1936); mezclas diminutas en quarks y enormes en neutrinos. Ningún patrón confirmado | art. 03 — cobra I.6 e I.7 y no las salda |
| Problema CP fuerte | La QCD permite un término que viola CP con ángulo libre θ̄; daría al neutrón un EDM ≈ 10⁻¹⁶·θ̄ e·cm. El límite medido (< 1,8×10⁻²⁶ e·cm) impone θ̄ < 10⁻¹⁰: un cero con diez decimales | art. 03, ej. resuelto |
| El axión | Peccei-Quinn (1977) convierte θ̄ en un campo dinámico que rueda solo hasta cero; su vibración es una partícula que además sirve de materia oscura. Dos misterios, una tirada | art. 03 y art. 01 |
| Constante cosmológica | La estimación cuántica de la energía del vacío falla contra lo medido por un factor ~10¹²⁰: la peor predicción de la historia de la ciencia | art. 03 |
| Aviso de método | Ninguno de los cuatro contradice datos: son feos. La fealdad acertó con la Ω⁻, el charm y el Higgs, y falló con la naturalidad y la supersimetría | art. 03, callout |
| Las tres fronteras | Energía (HL-LHC; FCC de 91 km: primero e⁺e⁻, luego 100 TeV) · intensidad (DUNE, Hyper-K, Mu2e, MEG-II, LHCb, Belle II, EDMs) · cósmica (xenón, axiones, IceCube, CMB y, desde 2015, ondas gravitacionales) | art. 04 |
| Anomalía disuelta: g−2 del muón | ~4σ durante 20 años; se disolvió en 2025 por el lado teórico (QCD en retícula para la parte hadrónica). Una anomalía es experimento menos teoría, y ambos lados tienen barras de error | art. 04, ej. resuelto |
| Anomalía contradicha: masa del W | CDF, 2022: 7σ frente a la predicción electrodébil. ATLAS, CMS y LHCb midieron después y todas cuadran con el Modelo Estándar | art. 04, ej. resuelto — sin réplica independiente no hay descubrimiento (I.5) |
| Anomalías vivas | R(D*) en b → cτν, el tau algo más favorecido de lo predicho (~3σ, años sin morir) · anomalía de Cabibbo: la primera fila de la CKM suma un pelín menos de 1 (~2–3σ) | art. 04, callout — la unitariedad de la CKM se monta en II.8 |
| Las tres preguntas ante un «4,2σ» | (1) ¿Cuántos sitios miraron? (efecto mirar en todas partes). (2) ¿Hay experimento independiente con sensibilidad comparable? (3) ¿Qué lado puede estar equivocado, el experimento o la predicción? | art. 04, ej. 2 |