En el Gran Colisionador de Hadrones, los protones se convierten en nuevas partículas, que se convierten en energía y luz, que se convierten en datos.
Foto de Silvia Biondi; Matteo Franchini, CERN
Por Sarah Charley, para Symmetry Magazine Noviembre 28 de 2017
Los científicos nunca han visto el bosón de Higgs. Nunca han visto el interior de un protón, y seguramente nunca verán la materia oscura. Muchos de los patrones fundamentales tejidos en la estructura de la naturaleza son completamente imperceptibles para nuestros torpes sentidos humanos.
Pero los científicos no necesitan ver partículas para conocer sus propiedades e interacciones. Los físicos pueden estudiar el mundo subatómico con detectores de partículas, que recopilan información de eventos que ocurren mucho más rápido y son mucho más pequeños de lo que el ojo puede ver.
Pero, ¿qué es esta información, y cómo exactamente lo reúnen los detectores? En experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más grande y más poderoso del mundo, todo comienza con una carrera de velocidad cercana a la de la luz.
Comenzando con una explosión
El LHC está construido en un anillo de 17 millas de circunferencia. Los científicos cargan racimos de protones en este anillo y los envían a toda velocidad en direcciones opuestas, obteniendo más y más energía con cada pasada.
Para cuando el LHC haya aumentado los rayos de protones a su energía máxima, habrán recorrido una distancia equivalente a un viaje de ida y vuelta entre la Tierra y el sol. Se moverán tan rápido que ya no convertirán energía en velocidad, sino que se hincharán con masa.
Una vez que los protones se aceleran hasta su energía final, los imanes del LHC empujan los dos haces en un curso de colisión en cuatro intersecciones alrededor del anillo.
"Cuando dos protones que viajan casi a la velocidad de la luz colisionan frontalmente, el impacto libera una oleada de energía inimaginablemente rápidamente en un espacio inimaginablemente pequeño", dice Dhiman Chakraborty, profesor de Física en Northern Illinois University que trabaja en el experimento ATLAS. "En ese volumen minúsculo, las condiciones son similares a las que prevalecían cuando el universo tenía apenas un décimo de nanosegundo de antigüedad".
Esta energía a menudo se convierte directamente en masa según la famosa ecuación de Einstein, E = mc^2, lo que da como resultado el nacimiento de partículas exóticas que no se encuentran en ningún otro lugar de la Tierra. Estas partículas, que pueden incluir bosones de Higgs, son extremadamente efímeras.
"Se descomponen de forma instantánea y espontánea en partículas 'hija' menos masivas y estables", dice Chakraborty. "La gran masa de la partícula padre exótica, al ser convertida nuevamente en energía, envía a sus hijas mucho más livianas volando a velocidades cercanas a la luz".
A pesar de que estas partículas raras son de corta duración, le dan a los científicos un vistazo a la textura del espacio-tiempo y los campos omnipresentes que se tejen en ella.
"Tanto es así que la existencia del universo completo que vemos hoy, nosotros mismos como observadores incluidos, se debe a (las partículas y los campos que no podemos ver)", dijo.
Esta pantalla de evento de experimento CMS identifica un electrón y un muón que pasa a través del detector. Crédito de imagen: Cortesía de CMS Collaboration
Ingreso al detector
Todo esto ocurre en menos de una millonésima de una billonésima de segundo. A pesar de que los detectores del LHC abarcan el rayo y están a solo unos centímetros de la colisión, les es imposible ver las nuevas partículas pesadas, que a menudo se desintegran antes de que puedan moverse una distancia igual al diámetro de un núcleo atómico.
Pero los detectores pueden "ver" los subproductos de su descomposición. Los bosones de Higgs pueden transformarse en pares de fotones, por ejemplo. Cuando esos fotones golpean los átomos y las moléculas que componen el material del detector, irradian destellos de luz y sacudidas de energía como meteoritos que atraviesan la atmósfera. Los sensores inhalan estos centelleos tenues y los transforman en señales eléctricas, registrando dónde y cuándo llegaron.
"Cada pulso es una instantánea del espacio y el tiempo", dijo Chakraborty. "Nos dicen exactamente dónde, cuándo y con qué velocidad esas partículas hijas atravesaron nuestro detector".
Una sola colisión protón-protón puede generar varias partículas hijas de alta energía, algunas de las cuales producen lluvias de cientos más. Estas corrientes de partículas liberan energía detectable a medida que golpean los detectores y generan pulsos eléctricos. El tiempo, la ubicación, la longitud, la forma, la altura y la energía total de cada impulso eléctrico se traducen directamente en bits de datos mediante una tarjeta electrónica de lectura.
De la misma manera en que los biólogos trazan las huellas de animales para estudiar la velocidad, dirección y tamaño de una manada, los físicos estudian la forma de estos pulsos eléctricos para caracterizar las partículas que pasan. Un pulso eléctrico largo y amplio indica que una gran corriente de partículas rozó el detector, pero un pulso con un pico agudo sugiere que un paquete pequeño corta directamente.
Estos pulsos eléctricos crean una conexión múltiple de puntos. Los algoritmos identifican rápidamente los patrones en la cascada de éxitos y reconstruyen rápidamente las energías y las pistas de las partículas.
"Solo tenemos unos pocos microsegundos para reconstruir lo que sucedió antes de que llegue el próximo lote de colisiones", dijo Tulika Bose, profesora asociada de la Universidad de Boston que trabaja en el experimento CMS. "No podemos mantener todos los datos, por lo que utilizamos sistemas automatizados para reconstruir groseramente partículas como los muones y los electrones.
"Si el evento parece lo suficientemente interesante en función de esta cantidad limitada de información, guardamos todos los datos de esa instantánea a tiempo y los guardamos para un análisis posterior".
Estos eventos interesantes se empaquetan y se envían arriba a una segunda serie de porteros automáticos que evalúan aún más la calidad y las características de estas instantáneas de colisión. Los algoritmos preprogramados identifican más partículas en la instantánea. Todo este proceso lleva menos de un milisegundo, más rápido que el parpadeo de un ojo humano.
Incluso entonces, los humanos no verán los datos hasta que se sometan a un extenuante paquete de procesamiento y preparación para el análisis.
Los humanos no pueden ver el bosón de Higgs, pero al rastrear sus subproductos hasta un único origen similar al de Higgs, pudieron reunir suficiente evidencia para descubrirlo.
"En los cinco años transcurridos desde ese descubrimiento, hemos producido cientos de miles de bosones de Higgs y hemos reconstruido un buen número de ellos", dijo Chakraborty. "Están siendo estudiados intensamente con el objetivo de obtener una visión de los misterios más profundos de la naturaleza".
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