¿Por qué un fotón de 300 TeV desafía las leyes físicas de Einstein?

Un único fotón, con una energía estimada de 300 teraelectronvoltios (TeV), ha reabierto una de esas grietas de la física que parecen diminutas hasta que uno mira dentro. Llegó a la Tierra procedente del estallido de rayos gamma GRB 221009A, una explosión cósmica ocurrida a más de 2.000 millones de años luz, y según los modelos convencionales de propagación no debería haber sobrevivido al viaje. El problema no es que viajara demasiado rápido ni que Einstein escribiera literalmente que semejante fotón era imposible. Es algo más fino —y bastante más interesante—: su llegada resulta difícil de reconciliar con la física basada, entre otros pilares, en la invariancia de Lorentz de la relatividad especial.

La investigación de Giorgio Galanti y Marco Roncadelli plantea que a energías extremas podría producirse una pequeña ruptura de esa simetría fundamental. Combinada con la posible existencia de partículas similares a los axiones, esa modificación permitiría explicar tanto la supervivencia del fotón como algunas peculiaridades de su llegada. No demuestra que Einstein estuviera equivocado. Tampoco inaugura, de un plumazo, una nueva física. Pero coloca sobre la mesa una anomalía difícil de encajar en la explicación convencional.

El fotón imposible nació en una explosión cósmica excepcional

Todo comenzó el 9 de octubre de 2022. Diversos observatorios detectaron GRB 221009A, un estallido de rayos gamma de una intensidad tan excepcional que terminó ganándose el sobrenombre de BOAT, acrónimo de Brightest Of All Time, algo así como “el más brillante de todos los tiempos”.

Los estallidos de rayos gamma son fenómenos brutales incluso para los estándares del universo. Durante unos segundos o minutos pueden liberar cantidades extraordinarias de energía, generalmente asociadas al colapso de estrellas masivas o a otros episodios astrofísicos extremos. GRB 221009A estaba, además, relativamente cerca en términos cosmológicos: su corrimiento al rojo se midió alrededor de z = 0,151. Cerca, claro, usando la peculiar escala de un cosmos en el que dos mil millones de años luz casi cuentan como vecindario.

El observatorio chino LHAASO registró más de 5.000 fotones por encima de 0,5 TeV durante los primeros 2.000 segundos de observación y detectó radiación por encima de los 10 TeV, algo extraordinario para un estallido de rayos gamma. Aquello ya obligaba a afinar los modelos sobre cómo atraviesa esta radiación el universo.

Pero después apareció el dato realmente incómodo. El experimento Carpet, instalado en el Observatorio de Neutrinos de Baksán, en el Cáucaso ruso, detectó una cascada atmosférica compatible con la llegada de un fotón de energía descomunal. El análisis inicial hablaba de unos 251 TeV; el estudio completo de los datos reforzó la asociación y revisó su energía hasta aproximadamente 300 TeV, con una incertidumbre de +43 y -38 TeV. Un fotón así es una pequeña bala cósmica. Y ahí empieza el quebradero de cabeza.

Por qué 300 TeV convierten el viaje en algo extraordinario

El espacio interestelar e intergaláctico parece negro, pero no está vacío. Está inundado por distintos campos de radiación. Entre ellos se encuentra el fondo cósmico de microondas, la luz fósil que quedó del universo primitivo y que llena prácticamente cada rincón del cosmos.

Un fotón gamma extremadamente energético puede encontrarse con uno de esos fotones de baja energía. Cuando las condiciones son adecuadas, ambos pueden interactuar y producir un electrón y un positrón. El fotón gamma original deja entonces de existir. No choca contra una pared: se transforma.

Cuanto mayor es la energía del rayo gamma y mayor la distancia recorrida, más importante se vuelve ese proceso. Un fotón de unos pocos TeV procedente de una fuente lejana ya puede sufrir una absorción considerable; a 300 TeV, atravesar más de dos mil millones de años luz plantea un problema mucho más severo.

Dentro de los modelos convencionales de propagación, el fotón observado por Carpet se encuentra en fuerte tensión con lo esperado, porque a semejante energía debería ser absorbido por la radiación cósmica de fondo antes de alcanzar nuestro planeta. Dicho de manera menos académica: se esperaba que el universo fuese una niebla prácticamente impenetrable para esa luz. Y, sin embargo, algo atravesó la niebla.

Einstein no predijo este fotón, pero su relatividad está en el centro

Aquí conviene desmontar una simplificación tentadora. Einstein no afirmó en 1905 que un fotón de 300 TeV procedente de GRB 221009A jamás podría alcanzar la Tierra. Ni existía la astronomía de rayos gamma moderna ni se conocía el fondo cósmico de microondas.

La relación con Einstein aparece porque su teoría de la relatividad especial descansa sobre la invariancia de Lorentz. En esencia, las leyes fundamentales de la física deben conservar su forma para observadores que se mueven a velocidad constante unos respecto a otros; la velocidad de la luz desempeña aquí un papel central.

Durante más de un siglo, esa estructura ha superado pruebas de una precisión extraordinaria. De ahí que hablar de una violación de la invariancia de Lorentz no sea mover una coma cualquiera: es tocar una de las vigas maestras de la física moderna. Eso sí, tocarla no significa derribarla.

La posible grieta en la invariancia de Lorentz

Existen propuestas de gravedad cuántica según las cuales, a escalas de energía extremas, el espacio-tiempo podría no comportarse exactamente como lo hace en nuestro mundo cotidiano. Algunas permiten diminutas modificaciones de las relaciones que conectan energía, momento y velocidad de las partículas.

Esas alteraciones reciben habitualmente el nombre de violación de la invariancia de Lorentz, o LIV por sus siglas en inglés. Galanti y Roncadelli han calculado qué ocurriría con los fotones de GRB 221009A bajo determinados escenarios de este tipo.

El efecto esencial es llamativo: la modificación cambia el umbral de ciertas interacciones entre fotones, haciendo que a energías enormes el universo pueda resultar más transparente de lo que predice la física convencional. Así, el fotón de 300 TeV tendría muchas más posibilidades de completar su viaje.

No se trata de que encuentre un agujero entre la radiación cósmica, como una pelota que atraviesa milagrosamente una verja. Cambiarían las propias reglas microscópicas que determinan cuándo puede producirse la interacción capaz de destruirlo.

El modelo aporta otro detalle curioso. Este tipo de modificación de la propagación puede provocar diferencias minúsculas en la velocidad efectiva de fotones con energías distintas. Multiplicadas por miles de millones de años de viaje, diferencias microscópicas pueden transformarse en retrasos apreciables. El fotón detectado por Carpet llegó bastante después de la fase inicial del estallido, un comportamiento compatible con los escenarios examinados por los investigadores.

Las partículas parecidas a los axiones ya no bastan por sí solas

Antes de recurrir a una posible ruptura de la invariancia de Lorentz había otra candidata sobre la mesa: las partículas similares a los axiones, conocidas como ALP.

Son partículas hipotéticas, extraordinariamente ligeras, cuya existencia aparece en distintas extensiones del modelo estándar. Bajo determinados campos magnéticos, un fotón podría convertirse temporalmente en una ALP. Esta atravesaría regiones opacas para la radiación gamma y, más tarde, podría convertirse de nuevo en fotón. Una especie de cambio de disfraz durante el viaje cósmico.

La idea no surgió ayer. Investigaciones anteriores habían mostrado que este mecanismo podía aliviar considerablemente el problema planteado por los fotones de varios TeV observados en GRB 221009A.

Con el nuevo análisis del evento de Carpet, sin embargo, 300 TeV son palabras mayores. Los escenarios estudiados basados exclusivamente en ALP quedan fuertemente desfavorecidos para explicar ese fotón concreto. La combinación de oscilaciones fotón-ALP con determinados modelos de violación de Lorentz funciona mejor para describir conjuntamente las observaciones de LHAASO y Carpet.

Un solo fotón todavía no reescribe las leyes de la física

Aquí llega la parte menos espectacular y más importante. La física no cambia de paradigma porque aparezca un dato extraño, ni siquiera uno extraordinariamente extraño. La detección de Carpet corresponde esencialmente a un evento de energía extrema, aunque el análisis completo haya reforzado la identificación respecto a los primeros resultados.

Los investigadores no presentan la violación de Lorentz como un hecho probado, sino como un escenario capaz de explicar lo observado. Esa diferencia es enorme. Un modelo puede encajar con un resultado y resultar falso cuando llegan más datos.

También existen otras propuestas para abordar la transparencia inesperada del universo a los rayos gamma de muy alta energía, desde nuevas partículas hasta diferentes mecanismos de propagación. Incluso la interpretación astrofísica de acontecimientos excepcionales como GRB 221009A continúa afinándose. La ciencia, por fortuna, tiene la mala costumbre de exigir más de una sorpresa antes de cambiar los libros de texto.

Lo interesante es precisamente que el fotón ofrece una prueba natural de física a energías extremas, imposibles de reproducir del mismo modo en los aceleradores terrestres. El cosmos ha hecho el experimento; nosotros apenas recogemos las señales que deja.

Qué cambiaría si aparecen más fotones como este

La auténtica revolución llegaría si futuros estallidos de rayos gamma proporcionasen más fotones de cientos de TeV procedentes de distancias cosmológicas y estos mostrasen patrones coherentes de absorción y retraso temporal.

Entonces sería posible comprobar si la anomalía de GRB 221009A fue una rareza estadística, un efecto astrofísico todavía mal comprendido o la primera pista consistente de una modificación de la propagación de la luz a energías extremas.

Los límites obtenidos por los investigadores permiten acotar los escenarios teóricos compatibles con el evento. Son escalas de energía enormes, próximas a territorios donde algunos modelos esperan que empiecen a asomar efectos relacionados con la gravedad cuántica. No significa que se haya observado directamente la estructura cuántica del espacio-tiempo. Significa algo más modesto, pero científicamente jugoso: existe una partícula que permite interrogar esa física desde una región energética excepcional.

La diferencia importa. Decir que “Einstein se equivocó” cabe estupendamente en un titular; demostrar que la invariancia de Lorentz falla requeriría una colección de evidencias independientes, repetibles y estadísticamente sólidas. Todavía no estamos ahí.

El universo ha dejado una incómoda pieza sobre la mesa

GRB 221009A ya era un acontecimiento fuera de escala. Fue extraordinariamente brillante, produjo miles de fotones de muy alta energía y permitió observar el cielo gamma como pocas explosiones cósmicas habían hecho antes. El fotón de aproximadamente 300 TeV añade una rareza mucho más profunda: según la propagación estándar, su viaje desde una distancia cosmológica resulta extraordinariamente difícil de explicar.

La hipótesis estudiada ofrece una salida: combinar partículas similares a los axiones con una modificación de la invariancia de Lorentz que haría el universo más transparente para los fotones más energéticos y alteraría ligeramente sus tiempos de propagación.

Einstein, por ahora, puede seguir bastante tranquilo. Su relatividad no ha sido refutada por una partícula solitaria llegada del Cáucaso celeste. Pero ese fotón ha hecho algo que en física resulta mucho más productivo que derribar una teoría de golpe: ha encontrado un lugar donde ponerla a prueba en condiciones nunca vistas. Y, a veces, las grandes grietas empiezan exactamente así. Con un dato que no debería estar ahí.