Esta semana ha vuelto a funcionar el gran colisionador de hadrones del CERN, el mayor acelerador de partículas del mundo. En pocas semanas se producirán más de mil millones de choques cada segundo en experimentos como ATLAS, CMS, ALICE y LHCb, donde los científicos explorarán campos desconocidos de la física en rangos de energía jamás alcanzados.
El LHC o gran colisionador de hadrones del CERN, en la frontera franco-suiza, comenzó este martes a funcionar, permitiendo a los experimentos tomar datos por primera vez en 2017. Las operaciones comienzan gradualmente, primero con solo unos pocos paquetes de protones en los haces. El equipo que controla el acelerador de partículas más potente del mundo incrementará progresivamente el número de protones que circulan por el anillo del LHC, y reducirá el tamaño de los haces en los puntos de interacción. En pocas semanas, se producirán más de mil millones de choques cada segundo en los experimentos.
El año pasado, el LHC produjo una cantidad impresionante de datos, unos 6,5 billones de colisiones, lo que representa una luminosidad integrada de unos 40 femtobarns inversos. La luminosidad, que corresponde al número de colisiones por unidad de superficie en un periodo determinado, es un indicador crucial del funcionamiento de un acelerador. En 2017, los operadores esperan obtener la misma cantidad de colisiones que en 2016 pero en un periodo inferior, puesto que el LHC ha arrancado un mes más tarde debido a la extensión de la parada técnica anual.
“En los primeros dos años de operaciones a una energía de 13 teraelectronvoltios (TeV) hemos conseguido entender muy bien cómo funciona el LHC, lo que nos permite optimizar más su operación en el tercer año”, dice Frédérick Bordry, director de Aceleradores y Tecnología del CERN. “Nuestro objetivo es incrementar la luminosidad y mantener la excelente disponibilidad del LHC, lo que sería un gran logro”.
La física de partículas se basa en el análisis estadístico de varios fenómenos, por lo que el tamaño de las muestras es esencial. En otras palabras, cuanto mayor es el número de colisiones que revela un cierto fenómeno, más fiable es el resultado. Los experimentos tratan de aprovechar la gran cantidad de datos proporcionada por el LHC para continuar su exploración de la física a la mayor energía jamás alcanzada por un acelerador de partículas.
“Los experimentos del LHC están preparados para doblar sus estadísticas comparadas con las que obtuvieron en 2016 a 13 TeV. Gracias a los nuevos datos, serán capaces de reducir las incertidumbres que rodean sus observaciones cada vez que entramos en un territorio inexplorado”, dice Eckhard Elsen, director de Investigación y Computación.
Mejorar lo conocido y explorar lo desconocido
Los equipos de investigación del LHC trabajan en dos grandes áreas: mejorar su conocimiento de fenómenos conocidos y explorar lo desconocido. El fenómeno conocido es el modelo estándar de física de partículas, una teoría que comprende todo nuestro saber actual sobre las partículas elementales. El bosón de Higgs, descubierto en 2012, juega un papel crucial en este modelo. Es una partícula escalar, en lo fundamental distinta al resto de partículas elementales.
En 2017, los experimentos ATLAS y CMS continuarán trabajando en determinar las características de esta partícula. Estos dos detectores gigantes de propósito general observarán sus modos de desintegración y cómo interactúa con otras partículas. Sus medidas podrían proporcionar indicios de ‘nueva física’ más allá del modelo estándar. Los experimentos llevarán a cabo medidas precisas de otros procesos del modelo estándar, en particular los relacionados con el quark top, la partícula elemental más pesada.
Los físicos esperan ser capaces de identificar discrepancias entre sus medidas y el modelo estándar. Esta es una de las formas de explorar lo desconocido. Aunque describe de forma precisa muchos de los fenómenos de lo infinitamente pequeño, el modelo deja muchas cuestiones sin responder. Por ejemplo, describe solo el 5% del Universo; el resto está formado por materia y energía oscuras, cuya naturaleza es todavía desconocida. Cada discrepancia con respecto a la teoría podría llevar hacia otros marcos teóricos de nueva física que podrían resolver las cuestiones que surgen.
ATLAS, CMS y LHCb miden procesos de forma precisa para detectar anomalías. Los dos primeros buscan también nuevas partículas como las predichas por la supersimetría, que podrían ser los componentes de la materia oscura.
Por su parte, LHCb se interesa también por el desequilibrio entre materia y antimateria. Ambas se debieron crear en cantidades iguales en el Big Bang, pero la antimateria ha desaparecido prácticamente del Universo. LHCb estudia el fenómeno conocido como “violación de carga-paridad”, que se cree está detrás de este desequilibrio.
Este año no se producirán choques entre iones de plomo, en cuyo estudio está especializado el experimento ALICE, que continuará analizando los datos de 2016 y registrará colisiones entre protones que también permiten estudiar la fuerza fuerte. El experimento anunció recientemente la observación de un estado de la materia parecido al plasma de quarks y gluones (el estado de la materia que existió unos pocos milisegundos después del Big Bang) en los choques de protones de 2016.
Finalmente, también están programados varios días de funcionamiento del LHC con haces ‘descomprimidos’ para los experimentos TOTEM y ATLAS/ALFA.
Investigadores del centro CiQUS de la Universidad de Santiago de Compostela han desarrollado una técnica pionera para regular el flujo de calor en estos sistemas aplicando campos eléctricos sobre regiones muy localizadas del material.
Este científico liderara a partir de 2026 el mayor laboratorio de física de partículas del mundo. Mark Thomson tendrá el reto de impulsar proyectos de enorme envergadura, como la posible construcción de un nuevo acelerador de casi 100 kilómetros de longitud, que transformaría el panorama de la física.
