Detectives Nucleares Cazan Partículas Invisibles Que Escaparon Al Atacante Más Grande Del Mundo

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El gran colisionador de hadrones no ha encontrado ninguna física nueva desde el bosón de higgs. Un equipo de físicos externos cree que saben por qué.

Dentro de unos años, si un grupo de físicos se sale con la suya, un edificio en cuclillas se elevará por encima de la frontera entre Francia y Suiza. Este anexo de tamaño de almacén se unirá a una instalación científica tan grande que cruza las fronteras nacionales. Y, si los investigadores que proponen la construcción son correctos, podría encontrar las piezas faltantes del universo.

Separado por unos cientos de pies verticales de granito rocoso del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el nuevo edificio contendría un instrumento científico llamado dispositivo MATHUSLA (Massive Timing Hodoscope para partículas neutras ultra estables), que lleva el nombre del hombre más longevo. El libro de Génesis. Su trabajo: cazar partículas de larga vida que el LHC no puede detectarse.

Hay algo extraño en la idea. El LHC es el acelerador de partículas más grande y más malo del mundo: un anillo de 17 millas (27 kilómetros) de imanes superconductores que, 11,245 veces por segundo, arrojan unos pocos miles de protones entre sí a fracciones significativas de la velocidad de la luz y luego, siempre que suceda algo interesante, se registra el resultado. [Más allá de Higgs: 5 otras partículas que pueden estar al acecho en el universo]

La relación de MATHUSLA con esa enorme máquina se asemejaría a la de un inofensivo pez remora que se aferra al costado de un leviatán y aspira motas de comida desperdiciadas que salen de la boca abierta de la criatura más grande. Pero algunos físicos piensan que a través del estudio cuidadoso de esas manchas (en este caso, partículas extrañas, de larga vida y alta energía lanzadas a través de las paredes de LHC), MATHUSLA ayudará a resolver una serie de problemas que tiene el LHC, para el creciente Alarma de los físicos de partículas, no pudo conquistar.

Todo eso sucederá, es decir, si los creadores de MATHUSLA pueden encontrar a alguien que pague por ello.

Física faltante

El universo cuántico en este momento es un rompecabezas con la mayoría de las piezas que faltan. Esas piezas que los científicos han encontrado y reunido ya (quarks, neutrinos, bosones, muón y tau leptón, el fotón y el gluón y, lo más famoso, el bosón de Higgs) se unen para formar una imagen, llamada Modelo Estándar. Pero esa imagen tiene una forma extraña y está llena de agujeros e insinuaciones de que hay más física que encontrar.

Una brecha es el bosón de Higgs. Como explicó David Curtin, profesor de la Universidad de Toronto y uno de los creadores del concepto MATHUSLA, el Higgs no es tan masivo como la física cuántica predice. Por lo tanto, el modelo actual del universo requería una gran "corrección" de apariencia arbitraria en las ecuaciones relacionadas con Higgs.

Siglos de experiencia les dicen a los científicos que correcciones como esa suelen representar cosas que los investigadores aún no comprenden. La constante cosmológica de Albert Einstein fue un ejemplo, una idea de que se adhirió a su teoría de la relatividad general para explicar lo que los científicos descubrieron más tarde fueron los efectos del universo en expansión, algo que Einstein nunca sospechó y luego lamentó no anticipar. [8 maneras en que puedes ver la teoría de la relatividad de Einstein en la vida real]

Los físicos, explicó Curtin, sospechan que la masa extrañamente pequeña de Higgs implica que otras partículas no detectadas están ahí, influyendo en ella. Esta y otras grietas extrañas en la realidad, como toda la masa misteriosa y desaparecida en el universo que los científicos denominan materia oscura, sugieren que todavía hay mucha física que los físicos aún no han visto.

El objetivo del LHC era llenar esos vacíos en el rompecabezas del universo.

Jessie Shelton, un físico teórico de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign que ayudó a editar un libro blanco que lanzó MATHUSLA, dijo que hasta el momento, con la importante excepción de la detección del bosón de Higgs en sí, el LHC ha sido una decepción. Apareció el Higgs, pero desde entonces, incluso después de una serie de mejoras en la máquina, la búsqueda de nuevas partículas no ha resultado nada.

Eso podría deberse a que los humanos han agotado el suministro de partículas que jamás podremos detectar. O podría ser que el LHC, tal vez debido a problemas con sus detectores o porque su haz sea demasiado débil, simplemente no esté a la altura de la tarea, dijo.

"Hay absolutamente algo nuevo por ahí. La materia oscura nos dice eso. Desafortunadamente, no tenemos ninguna garantía de que lo que sea que haya por ahí tenga que hablarnos a tasas que podamos detectar en el LHC", dijo Shelton a WordsSideKick.com.

Y mientras LHC, con los costos de decenas de miles de millones de dólares, no detecte nuevas físicas más allá de Higgs, dijo, será difícil justificar la construcción de detectores más grandes en el futuro. [Fotos: El masticador de átomos más grande del mundo (LHC)]

"En este momento, necesitamos nuevas ideas", dijo.

La gran idea nueva.

En abril, Shelton se paró frente a una multitud de físicos en la gran reunión de la American Physical Society (APS) en Columbus, Ohio, y argumentó que el LHC ya podría haber creado partículas faltantes pero podría haber sido incapaz de detectarlas. Esto se debe a que todos los sensores del LHC están calibrados para detectar un tipo específico de evento:

Una partícula exótica aparece en la colisión de alta energía de dos protones. Se desvanece un poco más tarde y se convierte en partículas más estables y menos exóticas, que se dispersan en todas direcciones en una explosión de estrellas.Esas partículas pasan a través de placas ionizantes y cristales destellantes que rodean el haz del colisionador, y su patrón específico ofrece a los físicos pistas sobre de qué tipo de partícula exótica provienen.

Una visualización de una colisión protón-protón tomada en el detector LHCb en las primeras horas del 9 de mayo de 2016.

Una visualización de una colisión protón-protón tomada en el detector LHCb en las primeras horas del 9 de mayo de 2016.

Crédito: LHCB

El LHC ya podría recoger firmas de partículas de larga vida con una cierta recalibración, dijo Shelton. Incluso una partícula generalmente de larga vida a veces decae rápidamente. Y algunas partículas de larga vida pueden dejar señales reveladoras en los sensores antes de descomponerse. Detectarlos podría ser una cuestión de recalibrar los detectores y algoritmos. Shelton llamó a este plan usando el LHC "off label". [Qué es la mecánica cuántica] Pero tal vez, argumentó Shelton, las partículas exóticas que faltan no se descomponen tan rápido como esperaban los diseñadores del LHC. Tal vez partículas especulativas como "gluinos" y "bolas de pegamento oscuras compuestas" existen y están apareciendo en el LHC pero no decayendo dentro de su túnel estrecho. Si un gluino, por ejemplo, puede sobrevivir incluso unas pocas fracciones de segundo más de lo que los físicos esperaban, podría, al moverse a una fracción significativa de la velocidad de la luz, perforar las paredes del colisionador, recorrer cientos de metros a través del granito sólido enterrando el LHC, y hacer su camino hacia el sol franco-suizo antes de decaer en algún lugar solo en el bosque. Su firma, por lo tanto, estaría lejos de la capacidad de detección del LHC. [Extraños quarks y muones, ¡oh! Partículas minúsculas de la naturaleza disecadas]

Aún así, estos investigadores piensan que la mejor esperanza para detectar partículas de larga duración se encuentra en el bosque en la frontera franco-suiza. MATHUSLA, esencialmente un almacén de 65 metros de altura (20 metros) lleno de detectores de partículas que se encuentran en la parte superior del LHC, estudiaría las partículas que escaparon del LHC por completo.

Con un grueso piso de granito que separa el haz de LHC de MATHUSLA, la mayor parte del caos radiactivo y en movimiento del LHC desaparecería. Solo los estallidos comparativamente raros de partículas de larga vida que se mueven a través de la Tierra y en la cámara del sensor necesitarán ser detectados.

"Si una partícula invisible se levanta y se desintegra, las partículas visibles [que se descompone] se extenderán contra el techo", dijo Curtin. "Las capas de [detectores] verán estas pistas exactamente de la misma manera que los rastreadores dentro del LHC en la planta baja. Pero esta [matriz de detectores] es mucho más grande y puede permitirse ser mucho más lenta".

El tono

Con menos partículas para detectar en un área de detección más grande, MATHUSLA podría crear imágenes muy detalladas de partículas exóticas que se descomponen en su interior, siempre que haya partículas exóticas para detectar.

"Sólo estás esperando allí. Los pájaros cantan. Y luego, de repente, hay un..." Curtin hizo el rápido sonido de una ametralladora, o en este caso, quizás, las partículas cargadas lanzadas desde un Gluino en descomposición.

Debido a ese ritmo lento y mayor espacio, dijo Curtin, la electrónica y la ingeniería requeridas para MATHUSLA son mucho más simples que las del propio LHC.

"No es barato", reconoció. "Pero no es una locura".

En la escala que él y sus colegas prevén, debería aparecer a una fracción del costo del LHC multimillonario que se muestra a continuación: en algún lugar del estadio de 50 millones de dólares, dijo. Los diseñadores de MATHUSLA esperan que CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, que opera el LHC, pague la factura. Pero también tienen esperanzas sobre las subvenciones de países no europeos, o quizás de personas ricas individuales.

"[El LHC] podría estar haciendo estas cosas ya", dijo, gritando un poco, "¡Hemos pagado el precio para hacerlas! ¡Hemos pagado los $ 10 mil millones por el colisionador! Ya los estamos haciendo - tal vez, quiero decir, ya sabes... "

Su voz se apagó por un momento, antes de regresar con, "¡Qué tontos nos sentiríamos si no gastáramos ese dólar extra para hacer que el detector realmente vea lo que hicimos?"

Shelton también dijo que el LHC necesita el detector adicional. Pero ella explicó la preocupación relacionada con ese "tal vez" y por qué todavía cree que el proyecto está justificado.

"Si estamos siendo pesimistas, y vamos a decir que tal vez no haya nada allí", dijo, "quiero saber que realmente no está ahí y que no falta, solo porque nos olvidamos de mirar".

Publicado originalmente en Ciencia viva.


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