Después De Higgs, El Colisionador En Alza Busca El Próximo Rompecabezas

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Con el poder de un universo temprano en su control, ¿qué encontrará el lhc a continuación?

Don Lincoln es un científico principal del Fermilab del Departamento de Energía de los EE. UU., La institución de investigación más grande de los Estados Unidos, Gran Colisionador de Hadrones. También escribe sobre ciencia para el público, incluido su reciente "The Large Hadron Collider: La extraordinaria historia del Higgs Boson y otras cosas que harán volar tu mente" (Johns Hopkins University Press, 2014). Puedes seguirlo en Facebook. Lincoln contribuyó este artículo a WordsSideKick.com's Voces de expertos: Op-Ed & Insights.

En algún lugar bajo la frontera franco-suiza, dos protones tienen una cita con el destino. Atrapados dentro del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y poderoso del mundo, siguen una trayectoria circular en direcciones opuestas con velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz.

A medida que se acercan, su destino es claro: una colisión es inevitable. Uno podría imaginar que un impacto entre dos protones podría parecer una colisión entre bolas de billar subatómicas. Pero las reglas del microalmo son muy diferentes de lo que sugiere la intuición familiar desarrollada en el pub de la esquina. [¡Guau! Mira a un Drone volar a través del Smasher Atom más grande del mundo]

Una de las primeras colisiones de partículas registradas a una energía de 13 billones de voltios de electrones (tera-electronvolts o TeV), registrada por el experimento CMS en el LHC.

Una de las primeras colisiones de partículas registradas a una energía de 13 billones de voltios de electrones (tera-electronvolts o TeV), registrada por el experimento CMS en el LHC.

Crédito: CERN

Colisionando con exito

Después de una pausa de más de dos años, el LHC está en funcionamiento nuevamente. Después de un amplio programa de remodelaciones, modernizaciones y actualizaciones, el acelerador es esencialmente una instalación completamente nueva. Operando a casi el doble de energía y triplicando el número de colisiones por segundo, el LHC creará colisiones dentro de los centros de cuatro grandes experimentos, cada uno listo para hacer el descubrimiento del siglo.

Desde los artículos de Einstein de 1905 sobre la relatividad, los físicos han sabido de la equivalencia entre energía y masa. Como lo describe la famosa ecuación de Einstein (E = mc2), la energía se puede convertir en materia y viceversa. Y esa es una de las grandes cosas que sucede dentro de un acelerador de partículas. La enorme energía cinética (es decir, en movimiento) de las dos partículas del haz entrante se convierte en la masa de partículas que no existían antes de la colisión.

De esta manera, dos protones, cada uno de ellos con una masa baja (alrededor de 1.000 millones de voltios de electrones para la multitud tecnológica), pueden colisionar y formar el bosón de Higgs, que es una partícula con una masa aproximadamente 125 veces más pesada que la de protón. La energía de movimiento de los protones se transforma literalmente en una partícula muy pesada.

Una colisión registrada por el experimento de CMS en 2011 que fue candidata a los datos de Higgs.

Una colisión registrada por el experimento de CMS en 2011 que fue candidata a los datos de Higgs.

Crédito: CERN

Cuando el LHC comenzó a operar en 2010, tenía una misión clara. Dos grandes experimentos, cada uno compuesto por alrededor de 3.000 científicos, se centraron principalmente en encontrar el bosón de Higgs. Pronosticado en 1964, el bosón de Higgs está conectado al campo de Higgs, que se cree que proporciona la masa a partículas subatómicas fundamentales (es decir, puntuales). Encontrar el bosón de Higgs significó que la idea del campo de Higgs fue validada.

Antes de su descubrimiento, el bosón de Higgs era el último componente faltante del exitoso Modelo Estándar de física de partículas. Cuando se combina con la teoría de la relatividad general de Einstein, el Modelo Estándar puede describir el comportamiento de toda la materia observada, desde la materia en ti y en mí, hasta las galaxias majestuosas que se desplazan a través del cosmos.

Si bien el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 fue un gran éxito para la comunidad científica, el triunfo fue decepcionante. Explicar esto es simple: Esencialmente, el bosón de Higgs fue como una pieza final que completó el rompecabezas del Modelo Estándar. Sin embargo, como cualquier entusiasta de los rompecabezas te dirá, son las pestañas y los espacios en blanco de las piezas las que te permiten construir un rompecabezas. La pestaña para colgar le da una pista sobre cuál será la próxima pieza. Pero un rompecabezas completo no dice nada sobre qué hacer a continuación.

Los misterios que quedan.

No es que no tengamos misterios en el mundo de la física. Por nuestra observación de las galaxias, sabemos que giran más rápido de lo que pueden explicarse por las leyes conocidas de la gravedad y la materia que podemos detectar. Para explicar ese misterio, inventamos una forma no observada de materia llamada materia oscura. La naturaleza fundamental de la materia oscura es sin duda un gran misterio.

Otro misterio proviene de la famosa ecuación de Einstein, E = mc2. En realidad, dice que cuando la energía se convierte en materia, se producirá una cantidad igual de antimateria. Durante el Big Bang, el universo estaba lleno de energía, y esta energía se transformó en cantidades iguales de materia y antimateria. Sin embargo, cuando los científicos miran el universo, solo ven la materia. Entonces, ¿dónde fue la antimateria? Si bien los físicos han tenido algunos indicios de experimentos anteriores, realmente no sabemos la respuesta. Este es otro misterio.

También hay otros misterios, como preguntarse si hay bloques de construcción más pequeños del universo que aquellos con los que estamos familiarizados. Siguiendo la historia de las investigaciones sobre esa pregunta, hemos aprendido de las moléculas y luego de los átomos. La investigación a principios de la década de 1900 reveló protones, neutrones y electrones, y la década de 1960 reveló los quarks y leptones que actualmente se consideran las partículas más pequeñas de la naturaleza. Sin embargo, es natural preguntar si puede haber bloques de construcción aún más pequeños.Si bien los científicos no saben la respuesta, debe haber algún tipo de física más profunda y fundamental que pueda explicar los patrones observados en los quarks y los leptones. La respuesta a esa pregunta es otro misterio.

Los ingenieros trabajan en uno de los detectores de CMS durante el cierre programado de dos años del LHC.

Los ingenieros trabajan en uno de los detectores de CMS durante el cierre programado de dos años del LHC.

Crédito: CERN

La curiosa masa del bosón de Higgs.

Los físicos no saben la respuesta a ninguna de esas preguntas fundamentales y, para ser sincero, es posible que el LHC no nos enseñe ninguno de esos secretos de la naturaleza. Pero hay una pregunta para la cual los datos de LHC son una apuesta más segura.

Proviene de misterios que surgen en los cálculos de la masa del bosón de Higgs. Cuando los científicos intentan calcular este valor directamente a partir de la teoría, el resultado es mucho más alto de lo que sugieren los datos del LHC.

Debido a las leyes de la mecánica cuántica, el bosón de Higgs puede fluctuar en otros tipos de partículas (por ejemplo, el quark top, los bosones W y Z, e incluso los pares de bosones de Higgs). Este comportamiento conduce a predicciones de la masa del bosón de Higgs que están más cerca de la masa de Planck, que es cien mil billones de veces más pesada que la masa que los científicos han medido. (La masa de Planck es la masa más alta que nuestras teorías actuales podrían aplicar y marca una frontera más allá de la cual estamos seguros de que tendremos que repensar todo).

Obviamente, esto es un problema, y ​​los físicos han pasado varias décadas imaginando posibles explicaciones, incluso antes del descubrimiento del bosón de Higgs. (Después de todo, estaba claro incluso desde el principio que este problema existiría si el bosón de Higgs tuviera una masa que pudiera descubrirse).

Supersimetria

La explicación teórica más popular es un principio llamado supersimetría. Esta idea esencialmente postula que los bosones portadores de fuerza (partículas con un espín subatómico que es un entero múltiplo de ħ, que es la unidad natural para el espín en el mundo cuántico). Por ejemplo, los fotones de espín 1 × ħ y los fermiones que transportan materia (partículas con espín subatómico medio entero, por ejemplo, electrones de espín 1/2 x ħ) deben aparecer en la teoría de manera simétrica. Eso significa que si intercambias todos los símbolos fermión y bosón, la ecuación permanecerá sin cambios. Esencialmente, esto pone las fuerzas y la materia en pie de igualdad, haciéndolos conceptualmente intercambiables.

Y en las teorías con supersimetría, emerge un nuevo conjunto de partículas, primos de las partículas familiares del Modelo Estándar. La supersimetría dice que los quarks y leptones familiares deben venir con nuevas partículas relacionadas, que los físicos ahora denominan squarks y sleptons. De manera similar, deben existir análogos supersimétricos del fotón y gluón, llamados fotinos y gluinos.

Eso sí, no se ha encontrado evidencia directa de la existencia de estas partículas supersimétricas. Sin embargo, si existen, los científicos pueden usar las propiedades mecánicas cuánticas de estas partículas para cancelar la contribución de las partículas familiares en los cálculos de la masa del bosón de Higgs. Dado que la supersimetría representa las otras partículas, los cálculos resultan en una masa predicha del bosón de Higgs que es pequeña, de acuerdo con las mediciones.

Los científicos celebran las primeras colisiones registradas a 13TeV en el Centro de Control de LHC del CERN el 3 de junio de 2015.

Los científicos celebran las primeras colisiones registradas a 13TeV en el Centro de Control de LHC del CERN el 3 de junio de 2015.

Crédito: CERN

El entusiasmo de algunos científicos por la supersimetría se ha visto afectado por el hecho de que no se han observado partículas supersimétricas. Por lo tanto, los investigadores están explorando otras posibilidades, por ejemplo, las ideas de que podrían existir dimensiones adicionales del espacio o que el bosón de Higgs podría contener partículas más pequeñas dentro de él. Estas y otras ideas son enfoques alternativos para controlar las predicciones rebeldes de la masa del bosón de Higgs.

Para citar al famoso filósofo Yogi Berra, es difícil hacer predicciones, especialmente sobre el futuro. Por lo tanto, es difícil saber exactamente qué descubrimientos se harán en el LHC. Sin embargo, parece probable que el misterio de la masa del bosón de Higgs sea el hilo más prometedor al que los científicos puedan tirar. Con suerte, el tirón correcto nos permitirá desentrañar el Modelo Estándar existente y nos permitirá tejer una teoría aún mejor. Solo el tiempo dirá si vamos a tener éxito.

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