Saltar al contenido

La guía de campo de LHC-watcher

noviembre 28, 2018
ciencia - Header 20The LHC watchers field guide 1024x576

Estos son los eventos de los sueños de los grandes físicos del Colisionador de Hadrones.

Ilustración de materia oscura, gravitones y agujeros negros microscópicos (trullo, púrpura, azul marino, mostaza)

Nuestra comprensión actual de la física de partículas, conocida como el Modelo Estándar, ha sido tremendamente exitosa. En los últimos 40 años, ha apuntado a los experimentadores hacia muchos descubrimientos, como el bosón de Higgs en 2012. Sin embargo, a pesar de todos sus triunfos, hay algunas cosas que el Modelo Estándar no explica.

Una pieza importante que falta, por ejemplo, es la gravedad. Aunque la gravedad es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, y la entendemos bien en la escala de estrellas, planetas y galaxias, no existe una teoría que funcione que pueda combinar esta comprensión con las leyes de la física de partículas.

Otra pieza faltante, bastante grande, es la materia oscura, que se cree que compone alrededor del 80 por ciento de la materia en el universo.

Los teóricos han encontrado una variedad de formas para completar las piezas faltantes, prediciendo la existencia de varias partículas y procesos no descubiertos en el camino. Los científicos del Gran Colisionador de Hadrones están buscando señales de física más allá del Modelo Estándar, y tienen ideas sobre cómo se verían si aparecieran.

El LHC produce nuevas partículas colisionando protones a energías muy altas. La energía de las colisiones se convierte momentáneamente en partículas nuevas, incluidas aquellas que normalmente no se ven flotando en la naturaleza. Los científicos llaman a estos choques “eventos” y las representaciones visuales de ellos se llaman “pantallas de eventos”.

El ojo entrenado puede detectar cuando una exhibición de evento es diferente de la norma, una pista de que algo inesperado e interesante está en marcha. Echemos un vistazo a algunas teorías de la física más allá del Modelo Estándar y descubramos cómo se verían en los detectores del LHC.

Materia oscura

Al observar las propiedades gravitacionales de las estrellas y las galaxias, los científicos pueden decir que algo invisible debe influir en nuestro universo. Los científicos lo llaman materia oscura, que muchas teorías predicen que debe estar compuesta de partículas que interactúan con otras materias solo a través de la gravedad. Si los científicos pudieran encontrar signos de partículas de materia oscura en el LHC, sería un gran avance en nuestra comprensión.

Aquí, vemos una pantalla de evento simulado que muestra cómo se vería la materia oscura en el experimento ATLAS en el LHC. La pantalla de eventos ofrece dos vistas: una desde el lado y la otra con la vista de frente. Las líneas naranjas que se intersectan muestran dónde se produjo la colisión de las partículas, y los otros bloques de colores muestran dónde las partículas depositaron energía en diferentes capas del detector ATLAS.

Imagen de una exhibición de evento simulado que muestra cómo se vería la materia oscura en el experimento ATLAS en el LHC

Cortesía de la Colaboración ATLAS

Si miramos la vista de frente a la derecha, podemos ver partículas con una gran cantidad de energía moviéndose hacia arriba y ligeramente hacia la derecha. La conservación de la energía requiere que haya una cantidad igual de energía que se aleje de la colisión en el otro lado, pero este evento no está equilibrado.

Esta visualización desigual del evento sugiere que algo que no vemos debe llevarse la energía extra (representada a la derecha por una línea discontinua blanca). El ladrón de energía podría ser materia oscura, que pasa por el detector sin interactuar.

Partículas de larga vida

Podría ser que la materia oscura esté formada por un solo tipo de partícula. O podría ser que la materia oscura, como la materia regular, consiste en una colección completa de diferentes tipos de partículas. Las teorías que describen la materia oscura de esta manera se llaman teorías del “sector oculto” o “valle oculto” de la materia oscura.

Las partículas de materia oscura del sector oculto, como la partícula de materia oscura simulada anteriormente, pasarían a través de un detector de partículas sin que nadie se diera cuenta. Pero si viajaban lejos de la colisión donde nacieron y luego se descomponían en partículas de materia regular, esas partículas aparecerían en pistas interesantes en la pantalla del evento.

Imagen de una visualización de evento simulado desde el detector CMS

Cortesía de la Colaboración de CMS

En la pantalla de eventos simulados del detector CMS anterior, vemos una firma que podría indicar la existencia de partículas del sector oculto.

A la izquierda, podemos ver las pistas de dos partículas llamadas muones (en verde). (Los muones son los primos más masivos de los electrones.) Su punto de origen (donde las líneas se cruzan) está a una distancia significativa del sitio de la colisión original de la partícula (el punto naranja en el centro). En el lado derecho del evento, podemos ver dos electrones (las líneas verdes más cortas), que también parecen estar ligeramente al lado de la colisión de partículas. Esto sugiere que fueron producidos por una nueva partícula no vista que viajó a cierta distancia de la colisión original antes de descomponerse en las partículas observadas.

Gravitones

Cada una de las fuerzas en el Modelo Estándar tiene al menos una partícula portadora de fuerza asociada: la fuerza electromagnética tiene el fotón; la fuerza fuerte tiene el gluón; y la fuerza débil tiene los bosones W y Z. Pero como se mencionó anteriormente, la fuerza de la gravedad no está incluida en el Modelo Estándar.

Si lo fuera, podría ser representado por una partícula teórica llamada gravitón. Se sabe muy poco sobre los gravitones, pero una cosa que los científicos pueden predecir es cómo se descompondrían. Cuando se produce un gravitón, se debe transformar inmediatamente en dos bosones Z, que a su vez se descomponen en otros pares de partículas.

La siguiente imagen muestra un evento de gravitón simulado del experimento CMS en el LHC. En él, un bosón Z se descompone en un par de muones (las dos líneas rojas a la izquierda), y el otro se descompone en una pulverización de partículas conocida como “chorro” (las diversas barras rojas y azules a la derecha). A partir de estos productos de descomposición, podemos reconstruir la masa de la partícula original que produjo los dos bosones Z.

Imagen de un evento de gravitón simulado del experimento CMS en el LHC

Cortesía de la Colaboración de CMS

Una observación de un solo evento como este no sería en sí misma evidencia de un gravitón, porque otros procesos conocidos podrían producir dos bosones Z. Sin embargo, si los científicos vieran una gran cantidad de eventos como este y pudieran reconstruirlos para mostrar que todos provienen de una partícula con la misma masa, eso sería una fuerte evidencia de una nueva partícula como un gravitón.

Agujeros negros microscópicos

La gravedad es difícil para los físicos de partículas. Es tan diferente de las otras fuerzas que los científicos saben. Comparado con el electromagnetismo, la fuerza fuerte (que mantiene unidos a los protones y los neutrones en nuestros átomos) e incluso la fuerza débil (que media la desintegración radiactiva), la gravedad es increíblemente débil.

Una explicación de por qué la gravedad es tan extraña es que podría estar operando en más de nuestras tres dimensiones conocidas del espacio. Si la gravedad es realmente más fuerte de lo que parece y simplemente se disipa por dimensiones adicionales invisibles, los científicos predicen que deberían poder usar el LHC para crear agujeros negros en miniatura: objetos pequeños con suficiente masa o energía concentrada para tener una velocidad de escape mayor que la velocidad de la luz. Al igual que las partículas producidas en las colisiones del LHC, estas se evaporarían rápidamente, en este caso en una explosión de partículas más pequeñas.

Imagen de un decaimiento simulado del agujero negro en una colisión en el detector ATLAS

Cortesía de la Colaboración ATLAS

La imagen de arriba es un decaimiento simulado del agujero negro en una colisión en el detector ATLAS. Lo que lo hace distintivo es que están sucediendo muchas cosas: la exhibición del evento es una erupción de electrones, muones y chorros de partículas. El gran volumen de partículas es una fuerte indicación de que algo nuevo podría estar sucediendo.

Dimensiones adicionales

Otra forma de inferir la existencia de dimensiones adicionales sería ver partículas que se filtran de ellas hacia la nuestra.

La visualización de eventos simulados del experimento de CMS a continuación parece engañosamente simple: las principales características de interés son los dos muones (las líneas rojas) que pasan por el detector a la izquierda y derecha de la pantalla. Sin embargo, lo que hace que esta visualización sea interesante es que cuando los científicos reconstruyen la masa de la partícula madre que se descompuso en estos muones, se suma a más de 10 veces la masa de cualquier partícula conocida.

Imagen de una exhibición de evento simulado del experimento de CMS

Cortesía de la Colaboración de CMS

Las partículas que se filtran desde dimensiones extra podrían producir más pares de muones con una masa reconstruida más alta que las colisiones regulares de protones en el LHC. Si viéramos un número significativo de eventos como este con una masa mayor a la esperada, sería una fuerte indicación de que la nueva física está en funcionamiento.

Solo una muestra

Esta galería solo araña la superficie de cómo se vería la nueva física en el LHC. Todos los días, los científicos proponen nuevas teorías que podrían producir eventos aún más extraños. Y, por supuesto, un solo evento por sí solo no es suficiente para confirmar o refutar una nueva teoría; los científicos generalmente necesitarían ver muchos de tales eventos para demostrar que algo inesperado está sucediendo.

Es por eso que el LHC continúa recopilando montañas de datos y pronto se someterán a actualizaciones que lo harán romper partículas a un ritmo 10 veces mayor que el diseño original. Cada colisión es una oportunidad de ver algo nuevo.

ciencia - the lhc watchers field guide?main feed view&dt=The LHC watcher’s field guide