que escaparon del Atom Smasher : Desmenuzador de Átomos más grande del mundo
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El experimento ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones es uno de los dos grandes detectores multiuso de la máquina. Crédito de la imagen: CERN
Por Rafi Letzter, Escritor de Live Science Staff | 27 de mayo de 2018
Dentro de unos años, si un equipo de físicos se sale con la suya, un edificio achaparrado 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.
Separados por unos cientos de pies verticales de granito de roca del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el nuevo edificio contendría un instrumento científico llamado dispositivo MATHUSLA (Massive Timing Hodoscope para Partículas Neutrales Ultra Estables), llamado así por el hombre más longevo en el libro de Génesis Su trabajo: cazar partículas de larga vida que el LHC no puede detectar por sí mismo.
Hay algo extraño en la idea. El LHC es el acelerador de partículas más grande y más malo del mundo: un anillo de imanes superconductores de 17 millas (27 kilómetros) que, 11,245 veces por segundo, arroja unos mil protones entre sí a fracciones significativas de la velocidad de la luz y luego , siempre que sucede algo interesante, registra el resultado.
La relación de MATHUSLA con esa enorme máquina se asemejaría a la de una rémora inofensiva que se aferra al costado de un leviatán, absorbiendo motas perdidas de comida derramada que se derraman 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 perdidas, de larga duración y alta energía lanzadas a través de las paredes del LHC), MATHUSLA ayudará a resolver una serie de problemas que tiene el LHC, al aumento 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 faltantes. Esas piezas que los científicos ya han encontrado y reunido: quarks, neutrinos, bosones, muón y tau lepton, el fotón y el gluón, y, más famoso, el bosón de Higgs, se unen para formar una imagen, llamada Modelo Estándar. Pero esa imagen tiene una forma extraña y llena de agujeros y pistas 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 simplemente no es tan masivo como predice la física cuántica. Entonces, 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 las correcciones de este tipo suelen representar cosas que los investigadores aún no entienden. La constante cosmológica de Albert Einstein fue un ejemplo, una idea de que se metió en 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 haber anticipado.
Los físicos, explicó Curtin, sospechan que la masa extrañamente pequeña de Higgs implica que otras partículas no detectadas están ahí fuera, influyéndolo. Esta y otras grietas extrañas en la realidad, como toda la masa perdida y misteriosa del 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 huecos en el rompecabezas del universo.
Jessie Shelton, física teórica de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign que ayudó a editar un libro blanco que lanzó MATHUSLA, dijo que hasta ahora, con la importante excepción de la detección del bosón de Higgs, el LHC ha sido una decepción. Apareció el Higgs, pero desde entonces, incluso después de una serie de actualizaciones a la máquina, la búsqueda de nuevas partículas no ha resultado ser nada.
Eso podría ser porque los humanos hemos agotado el suministro de partículas que alguna vez podremos detectar. O podría ser que el LHC, tal vez debido a problemas con sus detectores o porque su haz es demasiado débil, simplemente no está a la altura de la tarea, dijo.
"Hay absolutamente algo nuevo por ahí. La materia oscura nos lo dice. Desafortunadamente, no tenemos ninguna garantía de que lo que esté afuera tenga que hablarnos a velocidades que podamos detectar en el LHC", le dijo Shelton a Live Science.
Y mientras el LHC, con costos que alcanzan las decenas de miles de millones de dólares, no detecte nueva física más allá del Higgs, dijo, será difícil justificar la construcción de detectores más grandes en el futuro.
"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 perdidas, 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:
Aparece una partícula exótica en la colisión de alta energía de dos protones. Se descompone alucinantemente poco tiempo después en partículas más estables, menos exóticas, que se desvanecen en todas las direcciones en un estallido estelar. Esas partículas pasan a través de placas ionizantes y cristales parpadeantes que rodean el haz del colisionador, y su patrón específico ofrece pistas físicas sobre qué tipo de partículas exóticas provienen.
Una muestra de una colisión protón-protón tomada en el detector LHCb en las primeras horas del 9 de mayo de 2016. Crédito de la imagen: LHCB
El LHC ya podría recoger firmas de partículas de larga vida con alguna recalibración, dijo Shelton. Incluso una partícula generalmente de larga vida a veces se descompondrá 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 utilizando el LHC "off label". (¿Qué es la mecánica cuántica?) Pero tal vez, argumentó Shelton, las partículas exóticas faltantes no decaen tan rápido como esperaban los diseñadores del LHC. Tal vez existen partículas especulativas como "gluinos" y "bolas de pegamento oscuro compuestas" que están apareciendo en el LHC pero que no se descomponen dentro de su túnel estrecho. Si un gluco, por ejemplo, puede sobrevivir incluso unas pocas fracciones de segundo más de lo que esperaban los físicos, podría — moverse a una fracción significativa de la velocidad de la luz — atravesar las paredes del colisionador, viajar cientos de yardas a través del granito sólido enterrando LHC, y sube a la luz del sol franco-suizo antes de descomponerse en algún lugar solo en el bosque. Por lo tanto, su firma estaría muy por debajo de la capacidad de detección del LHC.
Aún así, estos investigadores piensan que la mejor esperanza para detectar partículas de larga vida reside en los bosques de la frontera franco-suiza. MATHUSLA, esencialmente un almacén de 65 pies de altura (20 metros) lleno de detectores de partículas que se sientan en la parte superior del LHC, estudiaría partículas que escaparon por completo del LHC.
Con un grueso suelo de granito que separa el rayo del LHC de MATHUSLA, la mayor parte del caos radioactivo del LHC desaparecería. Solo los estallidos comparativamente raros de partículas de larga vida que se mueven a través de la Tierra y dentro de la cámara del sensor necesitarían ser detectados.
"Si una partícula invisible aparece y se descompone, las partículas visibles (se descomponen) se extenderán en el techo", dijo Curtin. "Las capas de (detectores) verán estas pistas exactamente de la misma manera que los rastreadores dentro del LHC de la planta baja. Pero este (conjunto de detectores) es mucho más grande y puede permitirse ser mucho más lento".
El tono
Con menos partículas para detectar en un área de detección más grande, MATHUSLA podría construir imágenes muy detalladas de partículas exóticas que se pudren dentro de él — siempre y cuando realmente haya partículas exóticas allí arriba para detectar.
"Estás esperando allí arriba. Los pájaros están cantando. Y entonces, de repente, hay un—" Curtin hizo el rápido sonido de una ametralladora, o en este caso, quizás, las partículas cargadas arrojadas desde una Gluino en descomposición
Debido a ese ritmo lento y espacio más grande, 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 imaginan, debería llegar solo a una fracción del costo del multimillonario LHC a continuación — en algún lugar del estadio de $ 50 millones, dijo. Los diseñadores de MATHUSLA esperan que el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, que opera el LHC, pague la factura. Pero también tienen esperanzas de recibir subvenciones de países no europeos — o quizás de personas ricas individuales.
"(El LHC) ya podría estar haciendo estas cosas", dijo, gritando un poco, "¡Hemos pagado el precio para hacerlas! ¡Hemos pagado los $ 10 mil millones por el colisionador! Ya las 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 gastamos ese dólar extra para hacer que el detector realmente viera lo que hicimos?"
Shelton también dijo que el LHC necesita el detector adicional. Pero ella explicó la preocupación relacionada con ese "quizás" y por qué todavía piensa que el proyecto está justificado.
"Si estamos siendo pesimistas, y vamos a decir que tal vez no haya nada allí", dijo, "quiero saber que en realidad no está allí y no falta solo porque nos olvidamos de mirar".
Originalmente publicado en Live Science.
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