El monopolo magnético y un inolvidable día de San Valentín para el físico español Blas Cabrera

En el LHC del CERN no sólo se busca a la partícula de Higgs, también se buscan otras partículas exóticas. El experimento MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC) busca partículas altamente ionizantes, como el monopolo magnético. El físico James L. Pinfold y su equipo busca repetir lo que le ocurrió a las 14:00 horas del 14 de febrero de 1982 al físico español Blas Cabrera en la Universidad de Stanford. Un monopolo magnético atravesó el detector criogénico superconductor que había puesto a punto tras tres duros años de trabajo. Hoy, casi 30 años más tarde, ningún otro monopolo magnético ha dado señales de su existencia. La mayoría de las extensiones del modelo estándar a alta energía son mucho más simétricas que el modelo estándar, por lo que predicen la versión más simétrica posible de las ecuaciones de Maxwell, que incluye la existencia de partículas elementales con un solo polo magnético. Esta simetría debe estar rota ya que todavía no se ha observado ningún monopolo magnético, por lo que, de existir, los monopolos magnéticos tienen que ser muy pesados (del orden de 1 TeV). Una entrada tan optimista como “Monopolos, de aquí a un año,” Tu Anciana Abuela, 26 de marzo de 2010, me ha recordado que hace tiempo que no hablamos de monopolos magnéticos en este blog. Permitidme algunos comentarios y que os recomiende un artículo sobre los físicos que buscan desesperadamente lo que quizás nunca se encuentre, Geoff Brumfiel, “Physics: The waiting game,” News Feature, Nature 429: 10-11, 6 May 2004.

En 1931, el genial físico teórico P.A.M. Dirac estudió el origen cuántico de la cuantización de la carga eléctrica y descubrió, para su sorpresa, que la versión cuántica de las ecuaciones de Maxwell predecía de forma natural la aparición de un carga magnética elemental o monopolo magnético. La carga magnética igual que la carga eléctrica está cuantizada y cumple la relación g = n ħ c/(2 e) = n gD, para n = 1, 2, …, donde gD = ħ c/(2e) = 68’5 e, es llamada unidad de carga magnética de Dirac. Si existe el monopolo magnético las ecuaciones de Maxwell serán más simétricas, pero no totalmente simétricas ya que e ≠ g. Sin embargo, a alta energía, e = g, en todas las extensiones del modelo estándar que predicen la existencia de monopolos magnéticos (como en ciertas teorías de gran unificación, GUT, teorías supersimétricas, SUSY, teorías de cuerdas, etc.). ¿Por qué no se observan a baja energía monopolos por doquier? Dirac predijo que el monopolo magnético debería ser una partícula elemental con gran masa (masa que ninguna teoría actual es capaza de predecir). Si el radio clásico del monopolo es igual al radio clásico del electrón, rM = g2/(mM c2) = re = e2/(me c2), obtenemos mM = g2 me/e2 ≈ 4700 n me = n 2’4 GeV/c2. Esta masa es relativamente grande pero con toda seguridad la masa de los monopolos magnéticos, de existir, es mucho más grande aún.

Según la página web de MoEDAL, los experimentos del LEP2 en el CERN excluyen un monopolo magnético con masa inferior a 120 GeV y los experimentos del Fermilab uno con una masa inferior a 850 GeV. Aunque según el Particle Data Group, el experimento L3 del LEP2 en el CERN excluyó un monopolo magnético con masa inferior a 510 GeV (95% C.L.) y DZero del Fermilab excluye un monopolo magnético de espín cero con masa inferior a 610 GeV, de espín un medio con masa inferior a 870 GeV, y con espín uno con masa inferior a 1580 GeV. La producción de un monopolo magnético en el LHC con colisiones a 7 TeV parece extremadamente difícil. Por ello yo no comparto el optimismo de Tu Anciana Abuela sobre la posibilidad de que MoEDAL encuentre monopolos magnéticos en los próximos dos años. Habrá que esperar como pronto a las colisiones a 14 TeV en el LHC previstas para 2013.

Para los físicos que se dedican a la búsqueda de los monopolos magnéticos, la búsueda es como una droga, como la búsqueda del Santo Grial. En palabras de Giorgio Gratta, compañero en Stanford de Cabrera, la búsqueda de los monopolos “es como una droga: te vuelves adicto y no puedes abandonarla.” A pesar de los reveses de financiación y algunas falsas alarmas ocasionales, muchos de esos físicos logran una carrera exitosa, aun cuando sus detectores no registren una sola partícula. Por ejemplo, Blas Cabrera publicó su descubrimiento en la prestigiosa revista Physical Review Letters, como único autor (Blas Cabrera, “First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles,” Phys. Rev. Lett. 48: 1378–1381, 17 May 1982; citado más de 250 veces). En el artículo Cabrera no afirma haber encontrado un monopolo. Sólo describe lo que observó su detector. Un descubrimiento problemático donde los haya. Su detector observó una sola vez y solamente una vez lo que la teoría predecía que se observaría si lo atravesaba un monopolo magnético. Llaman matagatos a quien mató una vez a un gato, pero en física no se llama descubridor a quien observa algo por primera y única vez. Hay que repetir la observación. El experimento de Cabrera nunca más observó un monopolo. Sus experimentos posteriores tampoco. Conforme pasan los años, hasta el mismo Cabrera reconoce que las posibilidades de que su primera observación fuera un monopolo disminuyen.

 “We never again saw an event like this one in any of the individual instruments. It seemed less and less likely that the one event we saw was a monopole.” Blas Cabrera.

¿Por qué el interés en buscar monopolos magnéticos? Porque surgen en la mayoría de las extensiones del modelo estándar a alta energía por una razón matemática (topológica) bastante general. Si a alta energía tenemos una teoría gauge con un grupo de simetría G que a baja energía está rota, con una vacío con menor simetría, sea el grupo cociente G/H, entonces existen soluciones no lineales de la teoría, llamadas solitones o defectos, cuando los grupos de homotopía fundamentales son no triviales, πn(G/H)≠0. Estos defectos son paredes de dominio (rizos o kinks) para n=0, vórtices (cuerdas) para n=1, y monopolos para n=2. Sabemos que el modelo estándar es una teoría “efectiva” y que debe haber una teoría más simétrica a mayor energía de la que se ha alcanzado hasta el momento en los aceleradores de partículas en la Tierra. Por ello, en la gran explosión (el big bang) tuvieron que generarse gran número de monopolos magnéticos y quizás uno de ellos atravesó el detector de Cabrera. Su experimento y otros similares permite acotar la densidad de monopolos primordiales remanentes tras la gran explosión, por eso su trabajo, aunque conduzca a resultados negativos, es muy importante para los físicos teóricos.

Los interesados en más información sobre el experimento MoEDAL disfrutarán con el siguiente vídeo explicativo.

A principios de los 1990, Cabrera cambió ligeramente de tema de investigación y se puso a buscar partículas de materia oscura. Su búsqueda criogénica de materia oscura (CDMS o Cryogenic Dark Matter Search) ha acabado con dos eventos candidatos a finales del año pasado (anuncio oficial y publicación en Science). Espero que la historia no se repita y dichos eventos sean confirmados en un futuro no muy lejano. En este sentido, os recomiendo el vídeo de la estupenda conferencia de Blas Cabrera, “Future of CDMS: SuperCDMS Soudan, SuperCDMS SNOLAB & GEODM DUSEL + iZIP Huge Detector Advance,” KITP, Dec 18, 2009, en el marco del “KITP Miniprogram: Direct, Indirect and Collider Signals of Dark Matter (December 7-18, 2009),” coordinado por Nima Arkani-Hamed, Douglas Finkbeiner, y Neal Weiner.

Por cierto, el padre de Blas, Nicolás Cabrera (1913-1989), que pasó muchos años exiliado en EEU.UU. durante la dictadura que asotó nuestro país, regresó a España y fundó en 1971 el departamento de ciencias físicas en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) donde impartió clases. Cabrera, padre, es considerado el gran impulsor de la física en España desde su vuelta del exilio. El Instituto Nicolás Cabrera, fundado en 1989 en la UAM, lleva su nombre como homenaje.