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El 22 de abril de 2022, en las profundidades de la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra, Suiza, se aceleraron dos haces de protones alrededor de un anillo de 27 kilómetros que chocaron y crearon una lluvia de partículas secundarias. El experimento no es nada nuevo para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. De hecho, al chocar con una inyección de 450 mil millones de electronvoltios (450 GeV), el experimento está muy por debajo de la potencia que puede alcanzar este, el acelerador de partículas más grande y poderoso de la humanidad.

Sin embargo, es lo que representa esta modesta prueba del LHC lo que ha entusiasmado a los físicos. La prueba marca el comienzo de una nueva serie de experimentos con el LHC que colisionará partículas con una energía de hasta 13,6 billones de electronvoltios (TeV), las colisiones más poderosas en el acelerador hasta la fecha. Y esto es solo el comienzo de lo que debería ser un nuevo y emocionante período para la física de partículas.

Este tercer período experimental del LHC, conocido como Run 3, conducirá a otra pausa prolongada en 2026. Durante una pausa de tres años que durará hasta 2029, el LHC experimentará su transformación más sustancial hasta completar la actualización de alta luminosidad que comenzó en 2018. A continuación, la luminosidad del LHC se incrementará en un factor estimado de 10.

El LHC mientras estaba en modo de apagado durante 2019 mientras continuaba el trabajo en las actualizaciones que harán que el acelerador de partículas más poderoso del mundo se vuelva aún más formidable (Robert Lea)

La luminosidad del LHC se refiere a la cantidad de partículas que es capaz de colisionar, y un aumento en las colisiones significa una mayor posibilidad de detectar física exótica, hasta ahora invisible. Esto significa que el acelerador resultante, el Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL-LHC) tendrá el poder de probar la física que gobierna el universo más allá de lo que se conoce como el Modelo Estándar de Física de Partículas.

Más allá del modelo estándar

Es justo que sea el LHC al que recurra la humanidad para buscar una física más allá del Modelo Estándar, la mejor descripción que tenemos de las partículas y las interacciones que gobiernan el mundo subatómico. Después de todo, fue con esta tremenda pieza de aparato que se completó este modelo, ideado por primera vez en 1971.

En julio de 2012, en una sala de conferencias del CERN en Suiza, se anunció el descubrimiento del bosón de Higgs, detectado por los experimentos LHC ATLAS y CMS. El bosón, una partícula portadora de fuerza, representó la última partícula predicha por el modelo estándar. Así, su descubrimiento, que le valdría el Premio Nobel de Física en 2013, supuso la culminación de ese modelo.

Además de esto, como partícula mediadora del llamado campo de Higgs, el bosón de Higgs es la partícula responsable de otorgar su masa a la mayoría de los demás habitantes del zoológico de partículas. Eso significa que su descubrimiento también marcó el problema de larga data en la física de cómo la mayoría de las partículas obtienen su masa.

Sin embargo, a pesar del sentido de finalidad que esa declaración puede sugerir, este no fue de ninguna manera el elemento final de la física por descubrir. Hay elementos de la física no descritos por el Modelo Estándar, como la naturaleza de la materia oscura y lo que le da a los neutrinos su diminuta masa casi insignificante.

Del mismo modo, todavía quedan preguntas sobre el propio bosón de Higgs, que no es exactamente la partícula que se predijo que existía antes de su descubrimiento.

Son estas preguntas y acertijos persistentes que el LHC está ahora en condiciones de comenzar a investigar.

Una imagen que muestra el número esperado de colisiones protón-protón en el LHC luego de la actualización de alta luminosidad (CERN/ATLAS)

Hemos descubierto cómo partículas como el electrón adquieren masa a través de interacciones con el bosón de Higgs, completando el modelo estándar, la teoría de la naturaleza más exitosa conocida por los humanos. Sin embargo, hay muchas observaciones que no son predichas por este modelo, dice Salvatore Rappoccio de la Universidad de Buffalo, Nueva York, EE. UU., quien busca nueva física utilizando el experimento Compact Muon Solenoid (CMS) ubicado en el LHC.

Rappoccio le dijo a Elsevier: Después del descubrimiento del bosón de Higgs, no se han observado nuevas interacciones físicas en el LHC. Esto nos lleva a la conclusión de que, si existen, tienen energías superiores a la capacidad del LHC [de alrededor de 13 TeV] o tienen probabilidades de producción extremadamente bajas en nuestras colisiones y están ocultos entre los procesos de fondo.

Una de las preguntas que Rappoccio y su equipo buscarán responder es por qué el Bosón de Higgs descubierto en el LHC es ligeramente diferente de la partícula que predice el Modelo Estándar.

Una mejor comprensión del bosón de Higgs y la física que lo rodea podría ser proporcionada por el hecho de que el HL-LHC será capaz de crear muchas más partículas de las que fue capaz el LHC. En 2017, el LHC creó alrededor de 3 millones de partículas de Higgs. Los operadores del CERN estiman que en 2029, el HL-LHC creará unos 15 millones de bosones de Higgs.

Pero, el HL-LHC no solo podrá probar las leyes de la física en el universo tal como existe hoy. Quizás, de manera aún más impresionante, el HI-LHC será capaz de replicar las condiciones encontradas inmediatamente después del Big Bang, brindándonos así la imagen más clara de nuestro universo infantil.

El Gran Colisionador de Hadrones: Viajando de regreso al amanecer del universo

El LHC no solo rompe haces de protones y tampoco lo hará su sucesor, el HL-LHC. El acelerador de partículas más grande del mundo también es capaz de unir partículas mucho más pesadas, incluso átomos del elemento hierro despojados de electrones.

La colisión de iones de hierro es mucho menos común en el LHC que las colisiones protón-protón, con un mes al año dedicado a este tipo de experimento, pero eso no quiere decir que no haya sido fructífero. En 2020, los investigadores del CERN pudieron crear plasma de quarks y gluones, un estado de la materia significativo porque existió en los primeros momentos del universo, poco después del Big Bang.

En las condiciones extremas creadas en el LHC, los protones y neutrones que forman los iones de plomo se derriten en el proceso, liberando a los quarks de sus enlaces con los gluones. Observar cómo el plasma de quarks y gluones se expande y se enfría les da a los investigadores una pista de cómo gradualmente dio lugar a las partículas que componen el universo a medida que también se enfriaba y expandía en su infancia.

Dichos estudios también son esenciales para comprender las interacciones de una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo, la fuerza nuclear fuerte. Esta disciplina, conocida como Cromodinámica Cuántica (QCD), describe las interacciones entre quarks y gluones.

El LHC no es la primera máquina en replicar este estado de la materia, pero mejora los esfuerzos anteriores al crear un plasma de quarks-gluones más caliente, más denso y de mayor duración, lo que permite a los físicos estudiar este estado de la materia con un detalle sin precedentes.

Los quarks y los gluones generalmente solo se encuentran contenidos dentro de otras partículas como protones y neutrones. Solo existen libremente a energías increíblemente altas, como las que existían en el universo primitivo cuando estaba en un estado increíblemente caliente y denso antes de que la inflación hiciera que se expandiera y enfriara.

Una visualización de colisiones de iones pesados ​​detectadas por ALICE (CERN/ALICE)

Utilizando el detector ALICE del LHC, los investigadores del acelerador han podido estimar la temperatura del plasma de quarks-gluones mediante el uso de fotones emitidos por este estado de la materia, además de determinar su densidad de energía, los cuales han arrojado resultados superiores a las estimaciones anteriores. Los científicos del CERN también han podido utilizar partículas creadas por esta densa sopa caliente de materia para investigar su forma y otras cualidades.

Gracias a las actualizaciones del LHC, el detector ALICE, el instrumento clave para medir las partículas creadas por las colisiones de iones pesados, ha recibido un gran impulso.

Durante la ejecución 3, el CERN espera que los experimentos ATLAS y CMS logren más colisiones que las logradas en sus otros dos períodos de operación combinados, mientras que LHCb tendrá un recuento de colisiones tres veces mayor. El efecto sobre ALICE será aún más intenso, este detector en el futuro podrá medir hasta 50 veces más colisiones de iones pesados ​​que antes.

Más eventos de colisión significan crear más plasma de quarks-gluones y un estado más duradero de esta materia primordial y proporcionar a los investigadores más datos para estudiar las condiciones del universo primitivo.

La próxima década en el LHC ofrece muchas oportunidades para una mayor exploración del plasma de quarks y gluones, dijo el portavoz del experimento ALICE, Luciano Musa, en un comunicado de prensa del CERN. El aumento esperado de diez veces en el número de colisiones de iones plomo-plomo debería aumentar la precisión de las mediciones de las sondas conocidas del medio y darnos acceso a nuevas sondas. Además, planeamos explorar colisiones entre núcleos más ligeros, lo que podría arrojar más luz sobre la naturaleza del medio.

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