10 años de descubrimientos del Gran Colisionador de Hadrones

La actividad durante una colisión de alta energía en la sala de control de CMS de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, CERN, en su sede fuera de Ginebra, Suiza. Imagen vía AP Photo.

Por Todd Adams, Universidad Estatal de Florida

¡Diez años! Diez años después del inicio de operaciones del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), una de las máquinas más complejas jamás creadas. El LHC es el acelerador de partículas más grande del mundo, enterrado a 328 pies (100 metros) bajo el campo francés y suizo con una circunferencia de 17 millas (27 km).

El 10 de septiembre de 2008, los protones, el centro de un átomo de hidrógeno, circularon por primera vez alrededor del acelerador del LHC. Sin embargo, la emoción duró poco porque el 22 de septiembre ocurrió un incidente que dañó más de 50 de los más de 6, 000 imanes del LHC, que son críticos para mantener a los protones viajando en su camino circular. Las reparaciones tomaron más de un año, pero en marzo de 2010 el LHC comenzó a colisionar protones. El LHC es la joya de la corona del CERN, el laboratorio europeo de física de partículas que se fundó después de la Segunda Guerra Mundial como una forma de reunir y reconstruir la ciencia en la Europa devastada por la guerra. Ahora los científicos de seis continentes y 100 países realizan experimentos allí.

Tal vez se pregunte qué hace el LHC y por qué es tan importante. Grandes preguntas El LHC colisiona dos haces de protones juntos a las energías más altas jamás logradas en un laboratorio. Seis experimentos ubicados alrededor del anillo de 27 kilómetros (17 millas) estudian los resultados de estas colisiones con detectores masivos construidos en cavernas subterráneas. Ese es el qué, pero ¿por qué? El objetivo es comprender la naturaleza de los componentes básicos más básicos del universo y cómo interactúan entre sí. Esta es la ciencia fundamental en su forma más básica.

Vista del LHC en su túnel en el CERN (laboratorio europeo de física de partículas) cerca de Ginebra, Suiza. El LHC es un anillo subterráneo de 17 millas de largo (27 km) de imanes superconductores alojados en esta estructura tipo tubería, o criostato. El criostato se enfría con helio líquido para mantenerlo a una temperatura de funcionamiento justo por encima del cero absoluto. Acelerará dos haces de protones contrarrotatorios a una energía de 7 voltios teraelectrónicos (TeV) y luego los hará chocar de frente. Se están construyendo varios detectores alrededor del LHC para detectar las diversas partículas producidas por la colisión. Imagen a través de Martial Trezzini / KEYSTONE / AP Photo.

El LHC no ha decepcionado. Uno de los descubrimientos realizados con el LHC incluye el muy buscado bosón de Higgs, predicho en 1964 por científicos que trabajan para combinar teorías de dos de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Trabajo en uno de los seis experimentos de LHC: el experimento del solenoide de muón compacto diseñado para descubrir el bosón de Higgs y buscar signos de partículas o fuerzas previamente desconocidas. Mi institución, Florida State University, se unió a la colaboración del solenoide Compact Muon en 1994 cuando era un joven estudiante graduado en otra escuela que trabajaba en un experimento diferente en un laboratorio diferente. La planificación del LHC se remonta a 1984. El LHC fue difícil de construir y costoso, 10 mil millones de euros, y tardó 24 años en concretarse. Ahora estamos celebrando 10 años desde que el LHC comenzó a funcionar.

Una vista del detector de solenoide de muón compacto en el acelerador de partículas LHC del CERN. El núcleo del solenoide de muón compacto es el imán de solenoide superconductor más grande del mundo. Imagen a través de Martial Trezzini / KEYSTONE / AP Photo.

Descubrimientos del LHC

El descubrimiento más significativo del LHC hasta el momento es el descubrimiento del bosón de Higgs el 4 de julio de 2012. El anuncio se hizo en el CERN y cautivó a una audiencia mundial. De hecho, mi esposa y yo lo vimos vía webcast en nuestro televisor de pantalla grande en nuestra sala de estar. Como el anuncio fue a las 3 am, hora de Florida, fuimos a hacer panqueques en IHOP para celebrarlo después.

El bosón de Higgs fue la última pieza restante de lo que llamamos el modelo estándar de física de partículas. Esta teoría cubre todas las partículas fundamentales conocidas 17 de ellas y tres de las cuatro fuerzas a través de las cuales interactúan, aunque la gravedad aún no está incluida. El modelo estándar es una teoría increíblemente bien probada. Dos de los seis científicos que desarrollaron la parte del modelo estándar que predice que el bosón de Higgs ganó el Premio Nobel en 2013.

El bosón de Higgs, a veces referido como la "partícula de Dios", fue visto por primera vez durante experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones. Imagen a través de Designua / Shutterstock.com.

A menudo me preguntan, ¿por qué continuamos realizando experimentos, rompiendo protones juntos, si ya hemos descubierto el bosón de Higgs? ¿No hemos terminado? Bueno, todavía queda mucho por entender. Hay una serie de preguntas que el modelo estándar no responde. Por ejemplo, los estudios de galaxias y otras estructuras a gran escala en el universo indican que hay mucha más materia de la que observamos. Llamamos a esta materia oscura ya que no podemos verla. La explicación más común hasta la fecha es que la materia oscura está hecha de una partícula desconocida. Los físicos esperan que el LHC pueda producir esta partícula misteriosa y estudiarla. Eso sería un descubrimiento asombroso.

Apenas la semana pasada, las colaboraciones de ATLAS y solenoide de muón compacto anunciaron la primera observación del bosón de Higgs que se descompone, o se separa, en quarks de fondo. El bosón de Higgs se descompone de muchas maneras diferentes, algunas raras, otras comunes. El modelo estándar hace predicciones sobre con qué frecuencia ocurre cada tipo de descomposición. Para probar completamente el modelo, debemos observar todas las desintegraciones predichas. Nuestra observación reciente está de acuerdo con el modelo estándar: otro éxito.

Más preguntas, más respuestas por venir

Hay muchos otros rompecabezas en el universo y podemos requerir nuevas teorías de la física para explicar tales fenómenos, como la asimetría de materia / antimateria para explicar por qué el universo tiene más materia que antimateria, o el problema de la jerarquía para entender por qué la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas.

Diagrama del modelo estándar de física de partículas. Hay 13 partículas fundamentales que forman la materia que ahora se han descubierto y cuatro portadores de fuerza fundamentales. Imagen a través de Designua / Shutterstock.com.

Pero para mí, la búsqueda de datos nuevos e inexplicables es importante porque cada vez que los físicos piensan que lo tenemos todo resuelto, la naturaleza ofrece una sorpresa que conduce a una comprensión más profunda de nuestro mundo.

El LHC continúa probando el modelo estándar de física de partículas. Los científicos aman cuando la teoría coincide con los datos. Pero generalmente aprendemos más cuando no lo hacen. Esto significa que no entendemos completamente lo que está sucediendo. Y ese, para muchos de nosotros, es el objetivo futuro del LHC: descubrir evidencia de algo que no entendemos. Hay miles de teorías que predicen nuevas físicas que no hemos observado. ¿Cuales son las correctas? Necesitamos un descubrimiento para saber si alguno es correcto.

El CERN planea continuar las operaciones de LHC por mucho tiempo. Estamos planeando actualizaciones del acelerador y los detectores para permitir que funcione hasta 2035. No está claro quién se jubilará primero, yo o el LHC. Hace diez años, esperábamos ansiosamente los primeros rayos de protones. Ahora estamos ocupados estudiando una gran cantidad de datos y esperamos una sorpresa que nos lleve por un nuevo camino. Aquí tenemos ganas de los próximos 20 años.

Todd Adams, profesor de física, Florida State University

Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lee el artículo original.

En pocas palabras: Diez años de ciencia del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).