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Esperando un cartel | revista de simetría

octubre 31, 2018
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En 2009, el físico de la Universidad de Nápoles Giovanni de Lellis tenía una rutina. Casi todos los días, se sentaba ante un microscopio para examinar los datos de su experimento, el Proyecto de oscilación con Emulsion-tRacking Apparatus u OPERA, ubicado en Gran Sasso, Italia. Estaba buscando lo mismo que había estado buscando desde 1996, cuando estaba con el experimento CHORUS en el CERN: un neutrino tau.

Más específicamente, estaba buscando evidencia de un neutrino muón que oscila en un neutrino tau.

Los neutrinos vienen en tres sabores: electrón, muón y tau. En ese momento, los científicos sabían que oscilaban, cambiando los sabores a medida que viajaban cerca de la velocidad de la luz. Pero nunca habían visto un neutrino muon transformarse en un neutrino tau.

Hasta el 30 de noviembre de 2009. Ese día, de Lellis y el resto de la colaboración de OPERA detectaron su primer neutrino tau en un haz de neutrinos de muón procedentes del centro de investigación CERN a 730 kilómetros de distancia.

“Normalmente, lo que haría sería mirar y mirar, y no aparece nada”, dice de Lellis, ahora portavoz de la colaboración de OPERA. “Así que es un momento muy emocionante cuando ves tu evento”.

Para los físicos que buscan eventos raros, la paciencia es la clave. Experimentos como estos a menudo implican muchos años de espera para que aparezca una señal. Algunos fenómenos, como la desintegración beta-beta sin neutrinos, la descomposición del protón y la materia oscura, siguen eludiendo a los investigadores, a pesar de décadas de búsqueda.

Aún así, los científicos esperan que después de la larga espera, habrá una recompensa que valga la pena. Encontrar la desintegración beta-beta sin neutrinos permitirá que los investigadores sepan que los neutrinos son en realidad sus propias antipartículas y ayudarán a explicar por qué hay más materia que antimateria. Descubrir la descomposición del protón probaría varias grandes teorías unificadas, y nos dejará saber que uno de los componentes clave de los átomos no dura para siempre. Y descubrir la materia oscura finalmente nos diría qué representa aproximadamente un cuarto de la masa y la energía en el universo.

“Estos son experimentos realmente difíciles”, dice Reina Maruyama, física de la Universidad de Yale que trabaja en el experimento de descomposición doble beta sin neutrinos CUORE (Observatorio subterráneo criogénico para eventos raros), así como una serie de búsquedas directas de materia oscura. “Pero ayudarán a responder preguntas realmente fundamentales que tienen implicaciones sobre cómo se armó el universo”.

Buscando señales, cortando ruido

Para la colaboración OPERA, encontrar un posible candidato neutrino tau fue solo el comienzo. Se requirieron horas de trabajo adicional, incluidos análisis adicionales y verificación de otros científicos, para confirmar que la señal no provenía de otra fuente.

Afortunadamente, la primera señal pasó todos los controles y el equipo pudo observar otros cuatro eventos candidatos en los años siguientes. Para 2015, el equipo había reunido suficientes datos para confirmar con confianza que los neutrinos muónicos se habían transformado en neutrinos tau. Más específicamente, lograron obtener un resultado de 5 sigma, el estándar de detección de oro en física de partículas, lo que significa que hay solo 1 en 3.5 millones de posibilidades de que la señal de un experimento haya sido un golpe de suerte.

Para algunos experimentos, ver tan solo dos o tres eventos podría ser suficiente para hacer un descubrimiento, dice Tiziano Camporesi, un físico que trabaja en el experimento CMS en el CERN. Esto fue cierto cuando los científicos en el Súper Protón Sincrotrón del CERN descubrieron el bosón Z, una partícula elemental neutral que portaba la fuerza débil, en 1983. “El descubrimiento del bosón Z se hizo básicamente mirando a tres eventos”, dice Camporesi, “pero estos tres eventos fueron tan llamativo que ningún otro tipo de partícula producida en el acelerador en ese momento podría fingirlo “.

Hay una serie de formas en que los científicos pueden mejorar sus probabilidades de atrapar un evento difícil de alcanzar. En general, pueden aumentar las señales haciendo que sus detectores sean más grandes y mejorando la velocidad y la precisión con la que registran los eventos entrantes.

Pero mucho depende del ruido de fondo: ¿Cuán frecuentes son otros fenómenos que podrían crear una señal falsa que se parece a la que están buscando los científicos?

Cuando se trata de eventos raros, los científicos a menudo tienen que hacer todo lo posible para eliminar, o al menos reducir, todas las fuentes de posibles ruidos de fondo. “Diseñar un experimento que sea inmune al fondo es un desafío”, dice Augusto Ceccucci, vocero de NA62, un experimento que busca una descomposición extremadamente rara de kaon.

Por su parte, los científicos de NA62 eliminan el ruido de fondo, por ejemplo, estudiando solo los productos de descomposición que coinciden en el tiempo con el paso de partículas entrantes de un haz kaon e identificando cuidadosamente las características de las señales que podrían imitar lo que están buscando. para que puedan eliminarlos.

El experimento Super Criogénico de Búsqueda de materia oscura, o SuperCDMS, liderado por SLAC National Accelerator Laboratory, hace todo lo posible para proteger sus detectores de los rayos cósmicos, partículas que regularmente llueven sobre la Tierra desde el espacio. Para eliminar esta fuente de fondo, los científicos protegen los detectores con hierro, los envían por tierra y mar, y los operan bajo tierra. “De modo que no se necesitarían detectar muchas partículas de materia oscura para satisfacer la regla de detección 5-sigma”, dice Dan Bauer, portavoz de SuperCDMS de Fermilab.

En los aceleradores de partículas, la búsqueda de fenómenos raros se ve un poco diferente. En lugar de simplemente esperar a que aparezca una partícula en un detector, los físicos intentan crearlos en colisiones de partículas. Cuanto más esquivo es un fenómeno, más colisiones requiere encontrar. Por lo tanto, en el Gran Colisionador de Hadrones, “con el fin de lograr una probabilidad de producción cada vez menor, estamos obteniendo rayos cada vez más intensos”, dice Camporesi.

Triangular los resultados de diferentes experimentos puede ayudar a los científicos a crear una imagen de las partículas o procesos que están buscando sin encontrarlos realmente. Por ejemplo, al comprender qué es la materia oscura, los físicos pueden restringir lo que podría ser. “Tomas combinaciones de diferentes experimentos y comienzas a rechazar diferentes hipótesis”, dice Maruyama.

Solo el tiempo dirá si los científicos podrán detectar la desintegración beta-beta sin neutrinos, la descomposición del protón, la materia oscura u otros eventos raros que aún no se han detectado en los detectores de los físicos. Pero una vez que lo hacen, y una vez que los científicos saben qué firmas específicas encontrar, Maruyama dice, “se vuelve mucho más fácil buscar estas cosas, y puedes seguir adelante y estudiarlas de la manera más conveniente”.