Un mejorado acelerador de partículas está a punto de aventurarse en el reino de la física exótica

Cuando la nueva versión del Gran Colisionador de Hadrones se reinicie será capaz de alcanzar niveles de energía nunca antes vistos, lo que podría revelar nuevas partículas y abrir una ventana al funcionamiento interno del universo.

Vista interior de un detector de partículas en el experimento CMS (Compact Muon Solenoid) en el Gran Colisionador de Hadrones.

Los físicos se están poniendo ansiosos. Su herramienta más preciada para el estudio de las partículas más pequeñas de la naturaleza, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), estuvo cerrado desde finales de 2012 mientras se realizaban labores de mejora valoradas en $163 millones. Pero en dos meses volverá a la acción, colisionando protones a energías inimaginables nunca antes alcanzadas por una máquina hecha por el hombre. Los físicos esperan que estas energías sean suficientes para producir nuevas partículas, o fenómenos que expongan los secretos que el universo no ha querido desvelar hasta ahora. En particular, la próxima puesta en marcha del LHC podría mostrar evidencias de la “supersimetría”, que podría ser confirmada si aparecieran nuevas partículas y dimensiones de la materia, y que explicaría muchas facetas desconcertantes del cosmos.La máquina más grande de la Tierra, el LHC, está formada por un anillo subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia situado bajo territorio francés y suizo. En el interior del anillo, inaugurado en 2008, los protones expulsados ​​en direcciones opuestas aceleran hasta casi la velocidad de la luz para luego chocar frontalmente entre sí y explotar. A raíz de la explosión, la energía se convierte en masa y forma partículas, obteniéndose algunas especies exóticas raramente vistas en la naturaleza. Una de estas partículas, el bosón de Higgs, fue descubierto en el colisionador en 2012 después de que los teóricos predijeran su existencia más de cuarenta años atrás. Ahora los científicos esperan que el LHC pueda repetir la hazaña y exponer nuevas partículas, incluso versiones aún más pesadas del bosón de Higgs.

El incremento de energías a que trabajará el LHC podría dar pie a estas nuevas partículas. Los protones solían colisionar a 8 billones de electronvoltios (TeV) de energía, pero ahora los campos electromagnéticos del LHC inyectarán más energía haciendo que choquen a 13 TeV. Las partículas empezarán su viaje alrededor del anillo a finales de marzo, y si todo va bien, las primeras colisiones tendrán lugar en mayo. Para dar cabida a tanta energía, los ingenieros efectuaron importantes mejoras en las instalaciones durante el tiempo de inactividad. En particular, mejoraron las interconexiones entre los miles de potentes imanes del anillo. Los imanes mantienen a los protones en movimiento dentro del círculo; cuando los protones aumentan su energía, requieren campos magnéticos más fuertes para mantenerlos en movimiento. Los imanes que solían producir campos de 5,9 teslas de fuerza, ahora generarán campos de 7,7 teslas. 

“Abrimos todas las interconexiones, las revisamos, y rehicimos por completo una tercera parte de ellas”, comenta Frédérick Bordry, jefe de la división de aceleración del LHC en la sede central del CERN (the European Organization for Nuclear Research). “Fue una aventura interesante.” Los trabajadores también realizaron el mantenimiento de muchos otros componentes, analizándolos a fondo para asegurar el buen estado del colisionador. Bordry afirma que confía en que no se volverá a repetir el fallo eléctrico que causó graves daños en los imanes, justo después de la primera apertura del acelerador hace siete años, y que retrasó las operaciones 14 meses.

Las grandes mejoras en el acelerador le permitirán tener acceso a un nuevo reino de partículas e interacciones, gracias a la ley E = mc2 de Einstein. La ecuación muestra que la energía (E) es equivalente a la masa (m) por la velocidad de la luz (c) al cuadrado. Por lo tanto, la energía de una colisión determina cuanta masa tendrán las partículas resultantes. “Si la energía es dos veces mayor, significa que podemos producir partículas con el doble de masa”, dice Beate Heinemann, subjefe del Atlas experiment del LHC. “También significa que podemos producir partículas de menor masa pero a una tasa mucho mayor. En lugar de producir 10 partículas por segundo produciremos 1.000 por segundo, así que tenemos más oportunidades de poder observarlas”.

Entre las nuevas partículas que podrían aparecer, hay especies predichas por la “supersimetría”, como bosones de Higgs adicionales y partículas más pesadas que todas las conocidas hasta ahora, como podrían ser los “selectrones”, que acompañarían a los electrones comunes dentro de los átomos. La “supersimetría” es muy atractiva ya que explica algunas facetas del universo que la actual teoría de la física de partículas (el modelo estándar) no explica. Por ejemplo, el modelo estándar no puede explicar la invisible materia oscura que los astrónomos creen que constituye la mayor parte de la materia del universo. Sin embargo, las partículas adicionales predichas por la “supersimetría” parecen candidatas perfectas para ser esa materia oscura. El modelo estándar tampoco explica por qué el cosmos se compone principalmente de materia y no de antimateria, a pesar de que se cree que existieron en la misma medida desde que se formó el universo. Las partículas asociadas a la supersimetría podrían explicar esta situación, ya que podrían interferir en la forma en que se degradan las partículas de materia y antimateria, causando una asimetría que podría haber permitido la predominancia de la materia.

A pesar de las deficiencias del modelo estándar, todo lo apreciado en el LHC hasta ahora –incluyendo el bosón de Higgs– está de acuerdo a dicho modelo. “Sabemos que el modelo estándar no puede ser una teoría completa, no puede ser la respuesta final. Y por eso es tan frustrante que se comportase tan bien en la primera fase de experimentos,” comenta Tara Shears, física de la Universidad de Liverpool en Inglaterra. “En la segunda puesta en marcha esperamos ver las incoherencias”.

Estas incoherencias no solo podrían aparecer como partículas nunca antes vistas, sino también como sutiles diferencias en el comportamiento de partículas ya conocidas. Por ejemplo, el experimento LHC beauty (LHCb), monitoriza con qué frecuencia una partícula llamada mesón B_s, se degrada en otra partícula, el muón, y su contraparte de antimateria en un antimuón. “Solo ocurre tres veces por cada millón de partículas degradadas, ” dice Shears, miembro del proyecto LHCb . “Si existe una nueva física como la supersimetría, entonces estas nuevas partículas podrían participar en el proceso de degradación; permitirían acelerarlo y verlo más a menudo, o ralentizarlo. En la primera puesta en marcha obtuvimos una medición que lamentablemente se corresponde con el modelo estándar, pero aún no lo hemos medido de forma precisa, así que todavía hay mucho margen para desviaciones”.

Hay grandes esperanzas sobre la segunda puesta en marcha del LHC, ya que los niveles de energía con los que se trabajará ahora sí son capaces de producir partículas con la masa esperada  por distintas versiones de la teoría de la supersimetría,  “Vamos a llegar exactamente a los niveles de energía donde se supone que existen las partículas supersimétricas” comenta Heinemann. “Las partículas de materia oscura también deberían aparecer en esos rangos de energía. Quizás no sea así, pero podría ser”.

Por supuesto, todo lo que se observe en la próxima puesta en marcha del LHC podría continuar obedeciendo a las normas del modelo estándar, sin revelar nada sobre la asimetría entre materia y antimateria. “Tenemos la esperanza de conseguir un gran salto en nuestra comprensión gracias a algún descubrimiento inesperado, eso es por lo que vivimos”, dice Shears. “Pero incluso si no sucede, aprenderemos más sobre el universo porque habremos indagado en esta nueva área, que hasta ahora no habíamos sido capaces de estudiar”.

Fuente:http://misteriossinresolver.es/un-mejorado-acelerador-de-particulas-esta-a-punto-de-aventurarse-en-el-reino-de-la-fisica-exotica/