Las “revelaciones” del cosmos: vuelve a funcionar el Gran Colisionador de Hadrones para indagar en los orígenes del universo

NUEVA YORK.- En abril, los científicos de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), en las afueras de Ginebra, volvieron a disparar su arma cósmica, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Tras estar tres años apagado para recibir mantenimiento y mejoras, el colisionador volvió a disparar protones de átomos de hidrógeno por su gigantesco túnel electromagnético subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia. Y a principios de julio, el LHC empezará a hacer colisionar esas partículas entre sí para generar chispas de energía primordial.

Así que el gran juego de salir a cazar los secretos del universo está por empezar otra vez, con novedades y renovadas esperanzas de los físicos de partículas. Ya antes de su renovación, el colisionador había arrojado pistas de que la naturaleza puede estar escondiendo un secreto espectacular. Mitesh Patel, un físico de partículas del Imperial College de Londres que conduce un experimento en CERN, califica los datos obtenidos en vueltas anteriores como “el conjunto de resultados más emocionantes y motivadores que he visto en mi vida profesional”.

Hace una década, los físicos de CERN acapararon los titulares de todo el mundo por el descubrimiento del Bosón de Higgs, una partícula largamente buscada que sirve para explicar el origen de la masa del resto de las partículas del universo. ¿Qué queda por descubrir? Casi todo, dicen los físicos optimistas.

Cuando el colisionador de CERN fue encendido por primera vez, en 2010, el universo parecía al alcance de la mano. La máquina —la más grande y poderosa jamás construida por el hombre—, fue diseñada para encontrar el Bosón de Higgs. Esa partícula es la piedra angular del Modelo Estándar de Física de Partículas, un conjunto de ecuaciones que explican todo lo que los científicos han descubierto del mundo subatómico.

Pero hay preguntas más profundas sobre el universo que el Modelo Estándar no explica: ¿De dónde viene el universo? ¿Por qué está hecho de materia y no de antimateria? ¿Qué es esa “materia oscura” que llena el cosmos? ¿Por qué la partícula de Higgs tiene masa en sí misma?

Modelo estándar

Los físicos tenían la esperanza de que algunas respuestas se materializaran en 2010, cuando el colisionador fue puesto en marcha por primera vez. Pero lo único que apareció fue la partícula de Higgs, y nada que ayudara a explicar la naturaleza de la materia oscura. Para frustración de todos, el Modelo Estándar siguió incólume y no necesitó revisiones.

El colisionador fue cerrado a fines de 2018 para realizarle reparaciones y una importante actualización. Según el cronograma actual, ahora funcionará hasta 2025 y luego será vuelto a cerrar durante otros dos años para la instalación de nuevas mejoras y actualizaciones. Entre otras cosas, se introdujeron mejoras a los gigantescos detectores que están situados en los cuatro puntos del recorrido del colisionador donde los rayos de protones chocan y que analizan los residuos de esa colisión. A partir de julio, esos detectores tendrán trabajo extra: los rayos de protones ahora serán más apretados e intensos, lo que aumenta las chances de choque en esos puntos de cruce, que a su vez generarán múltiples chorros de partículas que tendrán que ser diferenciadas unas de otras por las computadoras.

“Los datos van a empezar a llegar mucho más rápido que antes”, dice Patel. Antes se producían un par de colisiones en cada cruce de rayos: ahora serán más de cinco.

“En cierto sentido, nos va a complicar la vida, porque ahora tendremos que encontrar las cosas que nos interesen en medio de todas esas nuevas interacciones diferentes”, dice el científico. “Pero también implica que tendremos más chances de detectar lo que buscamos.”

Mientras tanto, varios experimentos han revelado posibles fisuras en el Modelo Estándar y sugieren una teoría del universo más amplia y profunda. Entre esos resultados hay algunos que revelan comportamientos inusuales de partículas subatómicas cuyos nombres son desconocidos para la mayoría de la gente.

Entre ellas están los muones, partículas subatómicas que tuvieron sus 15 minutos de fama el año pasado y a las que también se suele denominar “electrones gordos”, ya que tienen la misma carga eléctrica negativa pero con una masa 207 veces mayor. “¿Quién pidió eso?” dijo el físico Isador Rabi cuando los muones fueron detectados por primera vez, en 1936.

Nadie sabe dónde encajan exactamente los muones en el gran esquema de las cosas. Son partículas creadas por colisiones de rayos cósmicos —o en eventos de colisionadores—, y se desintegran radiactivamente en microsegundos en una efervescencia de electrones y de partículas fantasmales llamadas neutrinos.

El año pasado, un equipo de 200 físicos vinculados al Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, en Illinois, informó que los muones que giraban alrededor de un campo magnético se habían movido a una velocidad significativamente mayor que la prevista por el Modelo Estándar.

La discrepancia con las predicciones teóricas de Modelo Estándar se produjo en el octavo decimal del valor de un parámetro llamado g-2, que describe la respuesta de la partícula a un campo magnético.

Los científicos atribuyeron esa diferencia fraccionaria pero real al “susurro cuántico” de partículas aún desconocidas que se materializarían brevemente alrededor del muon y afectarían sus propiedades. Confirmar la existencia de esas partículas evanescentes rompería, por fin, el Modelo Estándar

El muon también participa de otra anomalía. Pero el personaje principal, o quizás el villano de ese drama, es una partícula llamada quark B, una de las seis variedades de quark que componen partículas más pesadas, como protones y neutrones. Los quarks B se dan en partículas de dos conocidas como mesones B. Pero estas son inestables y tienden a desintegrarse en formas que parecen violar el Modelo Estándar.

En algunas desintegraciones inusuales de quark B se produce una cadena de reacciones que terminan en un tipo de quark diferente y más liviano, y en un par de partículas livianas llamadas leptones, en electrones o en sus primos “gordos”, los muones. Según el Modelo Estándar, los electrones y los muones tienen la misma probabilidad de aparecer en esta reacción. (Existe un tercer leptón más pesado, llamado tau, pero se desintegra demasiado rápido para ser observado). Pero Patel y sus colegas han encontrado más pares de electrones que pares de muones, que violaría el así llamado “principio universalidad leptónica”.

“Esto podría terminar de sepultar el Modelo Estándar”, dice Patel, cuyo equipo estuvo investigando los quarks B con el LHCb, uno de los detectores del Gran Colisionador de Hadrones. Esta anomalía, como la magnética del muon, parece apuntar a la presencia de un “influyente” desconocido: una partícula o fuerza que interfiere con la reacción.

Próximos pasos

Si la próxima ejecución del colisionador confirma estos datos, dice Patel, estaríamos ante una espectacular revelación: la existencia de una partícula subatómica llamada leptoquark, que hasta ahora era solo una especulación. Si el hipotético leptoquark existe, podría cerrar la brecha entre dos clases de partículas que componen el universo material: los leptones livianos —electrones, muones y también neutrinos— y partículas más pesadas como protones y neutrones, que están compuestos de quarks. Curiosamente, hay seis tipos de quarks y seis tipos de leptones.

“Arrancamos esta carrera con mucho optimismo, porque podríamos estar en los umbrales de una verdadera revolución”, dice Patel. “¡A cruzar los dedos!”

Hay otra partícula de este zoológico que también se comporta de manera extraña: el bosón W, que transmite la llamada “fuerza nuclear débil”, responsable de la descomposición radiactiva. En mayo, los físicos del Detector Colisionador de Fermilab (CDF) dieron un informe sobre sus 10 años de esfuerzos para medir la masa del bosón W, en base a unos cuatro millones de bosones W recolectados de las colisiones realizadas en el Tevatron de Fermilab, que fue el colisionador más poderoso del mundo hasta que se construyó el Gran Colisionador de Hadrones de Suiza.

De acuerdo con el Modelo Estándar y las mediciones de masa anteriores, el bosón W debería pesar alrededor de 80.357 mil millones de electronvoltios, la unidad de masa-energía preferida por los físicos. En comparación, el bosón de Higgs pesa 125.000 millones de electronvoltios, casi tanto como un átomo de yodo. Pero la medición del bosón W realizada por el CDF, la más precisa jamás realizada, resultó más alta de lo previsto: 80.433 millones. Los investigadores calcularon que solo había una posibilidad en 2 billones (7 sigma, en la jerga de la física) de que esta discrepancia fuera una casualidad estadística.

La masa del bosón W está conectada con las masas de otras partículas, incluido el infame bosón de Higgs. Por lo tanto, si esta nueva discrepancia se mantiene, revelaría otra fisura en el Modelo Estándar.

De todos modos, esas tres anomalías y las esperanzas de los teóricos de una revolución podrían evaporarse con la llegada de más datos. Pero los optimistas creen que esas tres rarezas apuntan en una misma y alentadora dirección: la existencia de partículas o fuerzas ocultas que interfieren con la física “tal como la conocemos”.

“Esa nueva partícula que explique tanto el g-2 como la masa del bosón W podría estar al alcance de los detectores del colisionador LHC”, dice Kyle Cranmer, físico de la Universidad de Wisconsin que participa en otros experimentos en CERN.

John Ellis, teórico del CERN y del Kings College de Londres, señala que ya se han publicado al menos 70 artículos que proponen explicaciones para la discrepancia de masa del bosón W.

“Pero muchas de esas explicaciones incluyen la injerencia de partículas que podrían estar al alcance de detección del LHC”, dijo. “Incluida la materia oscura, así que son muchas las cosas a tener en cuenta.”

Patel dice que la puesta en funcionamiento del renovado LHC “será emocionante y tendremos mucho trabajo, pero tenemos mucha curiosidad por ver los nuevos datos que arroje.”

“Para cualquier científico, es un verdadero privilegio poder y una oportunidad única.”

Por Dennis Overbye

(Traducción de Jaime Arrambide)

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