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El Gran Colisionador de Hadrones del CERN ha vuelto a ponerse en marcha… y con gran éxito

Mayo, 2022

El pasado viernes 22 de abril, dos haces de protones han circulado en direcciones opuestas por el anillo de 27 kilómetros del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN, en la frontera franco-suiza) con una energía de inyección de 450 mil millones de electronvoltios. El mayor y más potente acelerador de partículas del mundo ha vuelto a ponerse en marcha tras más de tres años de labores de mantenimiento y actualización. Pero eso no es todo: la colaboración científica ALICE (del Gran Colisionador de Hadrones) ha conseguido observar por primera vez el efecto deadcone, una característica fundamental en la teoría de la fuerza nuclear fuerte. Esta une dos tipos de partículas, los quarks y los gluones, para formar protones, neutrones y, en última instancia, todos los núcleos atómicos. “Es un momento ciertamente excitante para la física fundamental”.

Cuatro razones por las que el futuro de la física pasa por el LHC

Jesús Puerta Pelayo

Cuando Tolkien se refirió en su famosa mitología de la Tierra Media al Anillo Único de Poder, no pudo imaginar que dicho anillo sería construido por la raza de los hombres varias décadas después. No en la Tierra Media, sino bajo la frontera franco-suiza en las instalaciones del CERN (Laboratorio Europeo para la Física de Partículas).

Ese anillo, completado en 2008, vuelve a despertar para dar comienzo a la tercera edad de su existencia. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), la máquina destinada a profundizar nuestro conocimiento de la física de altas energías, está despertando poco a poco pero con paso firme tras varios años de inactividad.

Pasados 10 años desde el descubrimiento del bosón de Higgs en los experimentos ATLAS y CMS, el mayor hito conseguido hasta la fecha por LHC, este proyecto sigue estando de máxima actualidad y tiene mucho recorrido por delante.

En este momento conviene resumir en 4 razones fundamentales los motivos por los que una buena parte de las esperanzas de la física moderna pasan por el futuro de LHC.

Un prodigio tecnológico que permitirá superar los límites de lo explorado

No es descabellado afirmar que LHC es una de las máquinas más complejas de la historia, y uno de los instrumentos científicos más apasionantes jamás construidos.

Estamos hablando de un anillo de 27 km instalado a 100 metros bajo tierra, formado por cientos de imanes superconductores, funcionando a una temperatura cercana al cero absoluto, colisionando paquetes de billones de protones 40 millones de veces por segundo en un entorno más vacío que el espacio exterior.

LHC fue concebido como un instrumento de investigación básica, una máquina capaz de proporcionarnos información sobre un rango de energía no explorado de forma controlada en laboratorios. Inició su andadura en 2008, batiendo el récord de energía en colisiones de partículas en 2009 (2,6 TeV), 2012 (8 TeV) y 2014 (13 TeV). Un nuevo récord de energía está a la vuelta de la esquina y se producirá en las próximas semanas.

Para asegurar el correcto funcionamiento del acelerador y sus detectores, así como para implementar mejoras técnicas que permitan aumentar la energía e intensidad de los haces de protones, es necesario realizar paradas de larga duración cada cierto tiempo. La última colisión de partículas en LHC se produjo a finales de 2018. Han sido casi 4 años de parada.

Antes de eso LHC recogió datos durante 4 años de forma regular, y previamente otra parada de 2 años tras recoger los primeros datos de su primera fase. Esta secuencia de fases de funcionamiento y paradas alternas es habitual en los aceleradores. Incluso el mejor bólido necesita parar en boxes cada cierto tiempo.

El camino de esta segunda parada ha sido más tortuoso de lo habitual a causa de la pandemia, que ha obligado a realizar intervenciones manteniendo estrictas medidas de seguridad. Esta circunstancia ha retrasado el retorno de LHC, pero en estos momentos todo se encuentra listo para volver a la carga, con haces en circulación en espera de comenzar a colisionar en las próximas semanas.

La única máquina capaz de producir y estudiar el bosón de Higgs

Uno de los objetivos principales con los que LHC fue diseñado y construido era producir y medir una partícula que se llevaba buscando desde los años sesenta del siglo pasado: el bosón de Higgs. Finalmente hace 10 años los experimentos ATLAS y CMS del LHC anunciaron su descubrimiento, y desde entonces miden y estudian sus propiedades con empeño. Este descubrimiento condujo a la concesión del Premio Nobel de Física en 2013 a F. Englert y Peter Higgs.

¿Por qué el bosón de Higgs es una partícula tan importante en nuestro modelo? ¿Y por qué ha costado tanto encontrarla?

Para responder a la primera pregunta tenemos que referirnos al Modelo Estándar, la teoría más completa que, a día de hoy, tenemos para describir las partículas elementales conocidas y sus interacciones. Este modelo, uno de los edificios matemáticos más complejos y precisos elaborados por la comunidad científica a lo largo del siglo XX, fallaba a la hora de describir cómo las partículas elementales adquirían una de sus propiedades fundamentales: la masa.

Como respuesta a este problema, en 1964 Peter Higgs, François Englert y Robert Brout, junto a otros físicos teóricos, propusieron la existencia de un campo fundamental a través de cuya interacción con las partículas éstas podían adquirir masa. Ese campo debía manifestarse en una partícula conocida como el bosón de Higgs. Citando y destripando a Descartes simultáneamente, podemos decir que el bosón de Higgs justifica su importancia con un “peso, luego existo”.

Reconstrucción de un bosón de Higgs en CMS. / Imagen: CERN

Y respondiendo a la segunda pregunta, la dificultad en encontrarla radica en que, en primer lugar, su masa era desconocida, y sólo estaba al alcance de aceleradores de alta energía como LHC; en segundo lugar se produce con muy baja probabilidad; y por último es una partícula inestable que se desintegra en otras partículas nada más crearse, lo que hace muy difícil distinguirla de una cantidad ingente de procesos de fondo similares. De hecho, hay modos de desintegración que sabemos que están ahí pero aún no han podido ser observados con claridad.

El haberla encontrado ha supuesto un broche de oro a ese Modelo Estándar, toda vez que medir sus propiedades con precisión es crucial para entender sus fisuras.

Medir el Modelo Estándar en un rango de energía nunca antes estudiado

Evidentemente no sólo de Higgs vive el Modelo Estándar; este modelo explica el resto de partículas que conocemos en la naturaleza y sus interacciones, y medir sus propiedades con la mayor precisión posible es fundamental para avanzar en el conocimiento. Si pensamos en LHC como si fuese un gigantesco microscopio, con él somos capaces de hacer zoom en la naturaleza para estudiar el resto de piezas que componen el Modelo Estándar.

Otros aceleradores precedentes han sido claves a la hora de establecer el Modelo Estándar, pero LHC supone un paso más allá. Nos proporciona una foto de mayor resolución del mundo subatómico. Las medidas de determinados parámetros (como las masas de las partículas, sus probabilidades de producción, sus características intrínsecas, etc.) suponen una prueba fundamental para exprimir las bondades del modelo e, idealmente, estudiar sus carencias estudiando desviaciones con respecto a las predicciones teóricas.

El excelente funcionamiento de LHC como máquina capaz de realizar medidas de precisión está sorprendiendo a propios y extraños. Esperamos conseguir poner al límite nuestro modelo, aunque para ello la estadística es fundamental, y será necesario seguir recopilando datos de colisiones durante muchos años. Por ello en los próximos años se realizarán una serie de mejoras en el acelerador que permitirán incrementar sustancialmente el número de colisiones por segundo que LHC proporcionará a los experimentos en un factor 10, entrando así en una nueva fase que se denominará LHC de alta luminosidad, o HL-LHC. De este modo podremos alcanzar esa resolución deseada en nuestra foto de la naturaleza.

Uno de los últimos detectores instalados en el experimento ATLAS. / Foto: CERN

Una ventana a nuevas teorías más completas

Aunque el Modelo Estándar es una teoría tremendamente exitosa, no es completa. Muchas de las cuestiones abiertas no tienen explicación dentro de este modelo. La naturaleza de la materia y energía oscuras, las diferentes masas de las partículas, la asimetría entre materia y antimateria, etc. son algunas de las incógnitas aún por resolver para alcanzar una comprensión más completa del Universo.

Hay teorías más allá del Modelo Estándar que pueden explicar algunas de estas cuestiones, y es posible que dichos modelos se manifiesten en nuevas partículas o fenómenos que pueden estar al alcance de estudio en LHC.

A pesar de que hasta el momento no se ha observado ninguna señal definitiva de estos nuevos procesos, es pronto para tirar la toalla. Quedan muchos años por delante para tomar datos, y muchos más para escudriñar dichos datos. El estudio de posibles nuevas señales y desviaciones es complejo. Confiamos en que las mejoras a realizar en los próximos años, sobre todo la puesta en marcha de HL-LHC, sean cruciales para vislumbrar estas esquivas señales.

Sea como fuere, el conocimiento detallado del Modelo Estándar en este rango de energía es fundamental para avanzar y observar, aunque sea de forma indirecta, posibles señales de nueva física.

Un paso más en la historia

10 años después de conseguir su mayor logro, LHC retoma su andadura más fuerte, más potente y más esperanzado que nunca. LHC forma parte de larga familia de aceleradores históricos que, desde mediados del siglo pasado, han construido un linaje de instrumentación para la investigación sin igual. Sin dicha familia no hubiese sido posible establecer el Modelo Estándar.

Es posible que alguna partícula inesperada esté esperando entre bambalinas a ser descubierta. A día de hoy el panorama de la física fundamental es mucho más complejo que décadas atrás, y la observación de la naturaleza ha de completarse con muchos otros tipos de experimentos de diversa índole (detección de neutrinos, búsquedas de materia oscura, todo tipo de telescopios, detectores de ondas gravitacionales, etc.). Pero no cabe duda de que en todo este complejo entramado experimental tanto LHC como otros futuros proyectos de colisionadores seguirán teniendo una contribución crucial.

Es un momento ciertamente excitante para la física fundamental. Con toda seguridad los resultados experimentales venideros nos permitirán dentro de pocos años conocer un poco mejor el mundo que nos rodea.

[Jesús Puerta Pelayo: doctor en Física, investigador en el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT/España). Fuente: The Conversation; texto reproducido bajo la licencia Creative Commons.]

Primera observación en el LHC del ‘cono muerto’, un fenómeno esencial en física de partículas

Entre las partículas elementales, los quarks y los gluones, también llamados colectivamente ‘partones’, se producen en colisiones de partículas como las que tienen lugar en el interior del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), cerca de la ciudad suiza de Ginebra.

Después de su creación, los partones sufren una cascada de eventos llamada ‘cascada de partones’, a través de la cual pierden energía emitiendo radiación en forma de gluones, los cuales también emiten gluones posteriormente.

El patrón de radiación de esta cascada depende de la masa del partón emisor de gluones y muestra una región, alrededor de la dirección de vuelo del partón, donde los gluones no pueden ser emitidos. A esta zona se la conoce como dead cone, el cono muerto en español.

Ahora la colaboración científica ALICE del LHC ha realizado la primera observación directa del efecto cono muerto, una característica fundamental de la teoría de la fuerza nuclear fuerte, que une los quarks y los gluones para formar protones, neutrones y, al final, todos los núcleos atómicos. Los resultados se publican en la revista Nature.

Un quark encanto (c) en una cascada de partones pierde energía emitiendo radiación en forma de gluones (g). La cascada muestra un cono muerto de radiación suprimida alrededor del quark para ángulos menores que la relación entre la masa (m) y la energía (E) del quark. La energía disminuye en cada etapa. / Imagen: CERN.

Además de confirmar este efecto, la observación de ALICE, proporciona un acceso experimental directo a la masa del quark charm (quark encanto), antes de que este quede confinado en el interior de los hadrones.

“Ha sido un gran reto observar directamente el efecto dead cone”, afirma el portavoz de ALICE, Luciano Musa, “utilizando datos registrados durante tres años de colisiones protón-protón en el LHC y con sofisticadas técnicas de análisis de datos, hemos podido finalmente descubrirlo”.

El efecto cono muerto fue predicho hace 30 años a partir de los primeros principios de la teoría de la fuerza fuerte y es frecuente su observación indirecta en los colisionadores de partículas. Sin embargo, su observación directa a partir del patrón de radiación que produce la cascada de partones supone un gran reto para la comunidad investigadora.

Difícil seguir a los partones

La dificultad en la observación del fenómeno dead cone viene dada, principalmente, porque esta región puede estar repleta de partículas en las que se ha transformado el partón emisor, produciendo ruido en la observación, y porque es difícil determinar la dirección de movimiento del partón, pues su posición cambia a lo largo del fenómeno de cascada.

La colaboración ALICE ha superado estos retos aplicando técnicas de análisis avanzadas a una gran muestra de colisiones protón-protón registradas en el LHC. Estas técnicas permiten reconstruir el patrón de la cascada de partones a partir de sus productos finales: las señales que deja un chorro de partículas conocido como jet en el detector ALICE.

Buscando jets que incluyan una partícula que contenga un quark charm, los investigadores pudieron identificar un chorro creado por este tipo de quark y rastrear todo su historial de emisión de gluones. Una comparación entre el patrón de emisión de gluones del quark charm y el patrón de los gluones y quarks prácticamente sin masa reveló una región sin emisiones para el quark charm: el buscado dead cone.

El resultado también evidencia un valor nada despreciable para la masa del quark charm, pues la teoría predice que las partículas sin masa no tienen regiones cono muerto correspondientes.

“Las masas de los quarks son magnitudes fundamentales en la física de partículas, pero no se puede acceder a ellas y medirlas directamente en los experimentos porque, a excepción del quark top, los quarks están confinados dentro de partículas compuestas”, explica el coordinador de física de ALICE, Andrea Dainese, que destaca: “Nuestra exitosa técnica para observar directamente el dead cone de una cascada de partones puede ofrecernos una forma de medir las masas de los quarks”.

Leticia Cunqueiro, investigadora que realizó su doctorado en el Instituto Galego de Fisica de Altas Enerxias (IGFAE/España) y que actualmente ejerce como profesora en la Universidad de La Sapienza (Roma) y es miembro de CMS (otro experimento del LHC), fue una de las autoras principales de este análisis, trabajo que lideró desde el Oak Ridge National Laboratory cuando era miembro de ALICE.

“La medida ha permitido mostrar, de un modo creativo, los efectos directos de la masa del quark charm en el ángulo de emisión de la radiación QCD (cromodinámica cuántica)”, afirma Cunqueiro subrayando la importancia de este resultado.

Referencia: ALICE Collaboration. “Direct observation of the dead-cone effect in quantum chromodynamics”. Nature, 2022
Fuente: CPAN / SINC 

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