A medida que el Gran Colisionador de Hadrones se acelera, las esperanzas de los físicos se disparan

En abril, los científicos del Centro Europeo para la Investigación Nuclear, o CERN, en las afueras de Ginebra, dispararon una vez más su arma cósmica, el Gran Colisionador de Hadrones. Después de un cierre de tres años para reparaciones y actualizaciones, el colisionador ha reanudado el lanzamiento de protones, las tripas desnudas de los átomos de hidrógeno, alrededor de su pista de carreras subterránea electromagnética de 17 millas. A principios de julio, el colisionador comenzará a hacer chocar estas partículas para crear chispas de energía primordial.

Y así, el gran juego de la búsqueda del secreto del universo está a punto de comenzar nuevamente, en medio de nuevos desarrollos y las renovadas esperanzas de los físicos de partículas. Incluso antes de su renovación, el colisionador había estado dando indicios de que la naturaleza podría estar ocultando algo espectacular. Mitesh Patel, físico de partículas del Imperial College London que realiza un experimento en el CERN, describió los datos de sus carreras anteriores como “el conjunto de resultados más emocionante que he visto en mi vida profesional”.

Hace una década, los físicos del CERN llegaron a los titulares mundiales con el descubrimiento del bosón de Higgs, una partícula buscada durante mucho tiempo, que imparte masa a todas las demás partículas del universo. ¿Qué queda por encontrar? Casi todo, dicen los físicos optimistas.

Cuando el colisionador CERN se encendió por primera vez en 2010, el universo estaba en juego. La máquina, la más grande y poderosa jamás construida, fue diseñada para encontrar el bosón de Higgs. Esa partícula es la piedra angular del Modelo Estándar, un conjunto de ecuaciones que explica todo lo que los científicos han podido medir sobre el mundo subatómico.

Pero hay preguntas más profundas sobre el universo que el modelo estándar no explica: ¿De dónde vino el universo? ¿Por qué está hecho de materia en lugar de antimateria? ¿Qué es la “materia oscura” que inunda el cosmos? ¿Cómo tiene masa la propia partícula de Higgs?

Los físicos esperaban que algunas respuestas se materializaran en 2010 cuando se encendió por primera vez el gran colisionador. No apareció nada excepto el Higgs, en particular, ninguna partícula nueva que pudiera explicar la naturaleza de la materia oscura. Frustrantemente, el Modelo Estándar permaneció inquebrantable.

El colisionador se cerró a fines de 2018 para realizar amplias actualizaciones y reparaciones. Según el cronograma actual, el colisionador funcionará hasta 2025 y luego se apagará por dos años más para que se instalen otras actualizaciones extensas. Entre este conjunto de actualizaciones se encuentran mejoras en los detectores gigantes que se ubican en los cuatro puntos donde los haces de protones chocan y analizan los desechos de la colisión. A partir de julio, esos detectores tendrán mucho trabajo por delante. Los haces de protones se comprimieron para hacerlos más intensos, aumentando las posibilidades de que los protones colisionen en los puntos de cruce, pero creando confusión para los detectores y las computadoras en forma de múltiples aerosoles de partículas que deben distinguirse entre sí.

“Los datos llegarán a un ritmo mucho más rápido de lo que estamos acostumbrados”, dijo el Dr. Patel. Donde antes solo ocurrían un par de colisiones en cada cruce de rayos, ahora habría más de cinco.

“Eso hace que nuestras vidas sean más difíciles en cierto sentido porque tenemos que ser capaces de encontrar las cosas que nos interesan entre todas esas diferentes interacciones”, dijo. “Pero significa que hay una mayor probabilidad de ver lo que estás buscando”.

Mientras tanto, una variedad de experimentos han revelado posibles grietas en el modelo estándar y han insinuado una teoría más amplia y profunda del universo. Estos resultados involucran comportamientos raros de partículas subatómicas cuyos nombres son desconocidos para la mayoría de nosotros en las gradas cósmicas.

Tomemos el muón, una partícula subatómica que se hizo famosa brevemente el año pasado. Los muones a menudo se denominan electrones gordos; tienen la misma carga eléctrica negativa pero son 207 veces más masivos. “¿Quién ordenó eso?” dijo el físico Isador Rabi cuando se descubrieron los muones en 1936.

Nadie sabe dónde encajan los muones en el gran esquema de las cosas. Son creados por colisiones de rayos cósmicos, y en eventos de colisionadores, y se descomponen radiactivamente en microsegundos en una efervescencia de electrones y las partículas fantasmales llamadas neutrinos.

El año pasado, un equipo de unos 200 físicos asociados con el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi en Illinois informó que los muones que giran en un campo magnético se habían tambaleado significativamente más rápido de lo previsto por el Modelo Estándar.

La discrepancia con las predicciones teóricas se produjo en el octavo decimal del valor de un parámetro llamado g-2, que describía cómo responde la partícula a un campo magnético.

Los científicos atribuyeron la diferencia fraccionaria pero real al susurro cuántico de partículas aún desconocidas que se materializarían brevemente alrededor del muón y afectarían sus propiedades. Confirmar la existencia de las partículas, por fin, rompería el Modelo Estándar.

Pero dos grupos de teóricos todavía están trabajando para reconciliar sus predicciones de lo que debería ser g-2, mientras esperan más datos del experimento Fermilab.

“La anomalía g-2 todavía está muy viva”, dijo Aida X. El-Khadra, física de la Universidad de Illinois que ayudó a liderar un esfuerzo de tres años llamado Muon g-2 Theory Initiative para establecer una predicción de consenso. “Personalmente, soy optimista de que las grietas en el Modelo Estándar se sumarán a un terremoto. Sin embargo, la posición exacta de las grietas aún puede ser un objetivo en movimiento”.

El muón también figura en otra anomalía. El personaje principal, o quizás el villano, en este drama es una partícula llamada quark B, una de las seis variedades de quark que componen partículas más pesadas como protones y neutrones. B significa fondo o, quizás, belleza. Tales quarks ocurren en partículas de dos quarks conocidas como mesones B. Pero estos quarks son inestables y tienden a desmoronarse en formas que parecen violar el Modelo Estándar.

Algunas desintegraciones raras de un quark B implican una cadena de reacciones, que terminan en un tipo de quark diferente y más liviano y un par de partículas livianas llamadas leptones, ya sea electrones o sus primos gordos, muones. El modelo estándar sostiene que los electrones y los muones tienen la misma probabilidad de aparecer en esta reacción. (Hay un tercer leptón más pesado llamado tau, pero se desintegra demasiado rápido para ser observado). Pero el Dr. Patel y sus colegas han encontrado más pares de electrones que pares de muones, violando un principio llamado universalidad de leptones.

“Este podría ser un asesino del Modelo Estándar”, dijo el Dr. Patel, cuyo equipo ha estado investigando los quarks B con uno de los grandes detectores del Gran Colisionador de Hadrones, LHCb. Esta anomalía, como la anomalía magnética del muón, apunta a un “influyente” desconocido: una partícula o fuerza que interfiere con la reacción.

Una de las posibilidades más dramáticas, si estos datos se mantienen en la próxima ejecución del colisionador, dice el Dr. Patel, es una especulación subatómica llamada leptoquark. Si la partícula existe, podría cerrar la brecha entre dos clases de partículas que componen el universo material: los leptones livianos (electrones, muones y también neutrinos) y partículas más pesadas como protones y neutrones, que están hechos de quarks. Curiosamente, hay seis tipos de quarks y seis tipos de leptones.

“Estamos entrando en esta carrera con más optimismo de que podría haber una revolución en camino”, dijo el Dr. Patel. “Dedos cruzados.”

Hay otra partícula en este zoológico que se comporta de manera extraña: el bosón W, que transmite la llamada fuerza débil responsable de la descomposición radiactiva. En mayo, los físicos con el Collider Detector en Fermilab, o CDF, informaron sobre un esfuerzo de 10 años para medir la masa de esta partícula, basado en unos 4 millones de bosones W recolectados de colisiones en el Tevatron de Fermilab, que fue el colisionador más poderoso del mundo. hasta que se construyó el Gran Colisionador de Hadrones.

De acuerdo con el modelo estándar y las mediciones de masa anteriores, el bosón W debería pesar alrededor de 80,357 mil millones de electronvoltios, la unidad de masa-energía preferida por los físicos. En comparación, el bosón de Higgs pesa 125 mil millones de electronvoltios, casi tanto como un átomo de yodo. Pero la medición CDF de la W, la más precisa jamás realizada, resultó más alta de lo previsto en 80.433 mil millones. Los experimentadores calcularon que solo había una posibilidad en 2 billones (7 sigma, en la jerga de la física) de que esta discrepancia fuera una casualidad estadística.

La masa del bosón W está conectada con las masas de otras partículas, incluido el infame Higgs. Entonces, esta nueva discrepancia, si se mantiene, podría ser otra grieta en el modelo estándar.

Aún así, las tres anomalías y las esperanzas de los teóricos de una revolución podrían evaporarse con más datos. Pero para los optimistas, los tres apuntan en la misma dirección alentadora hacia partículas ocultas o fuerzas que interfieren con la física “conocida”.

“Entonces, una nueva partícula que podría explicar tanto g-2 como la masa W podría estar al alcance del LHC”, dijo Kyle Cranmer, físico de la Universidad de Wisconsin que trabaja en otros experimentos en el CERN.

John Ellis, teórico del CERN y del Kings College de Londres, señaló que se han publicado al menos 70 artículos que sugieren explicaciones para la nueva discrepancia de masa W.

“Muchas de estas explicaciones también requieren nuevas partículas que puedan ser accesibles para el LHC”, dijo. “¿Mencioné la materia oscura? Entonces, ¡hay muchas cosas de las que tener cuidado!”

Sobre la próxima carrera, el Dr. Patel dijo: “Será emocionante. Será un trabajo duro, pero estamos muy interesados ​​en ver lo que tenemos y si hay algo realmente emocionante en los datos”.

Agregó: “Podrías pasar por una carrera científica y no poder decir eso una vez. Así que se siente como un privilegio”.