Si los físicos de partículas se salen con la suya, los nuevos aceleradores podrían algún día escudriñar la partícula subatómica más curiosa de la física, el bosón de Higgs. Seis años después del descubrimiento de esta partícula en el Gran Colisionador de Hadrones, los físicos están planeando enormes máquinas nuevas que se extenderán por decenas de kilómetros en Europa, Japón o China.
Nuevos colisionadores: lo que serán
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El descubrimiento de esta partícula subatómica, que revela el origen de la masa, llevó a la finalización del Modelo Estándar, la teoría general de la física de partículas. Y también se convirtió en un logro histórico para el LHC, actualmente el acelerador más grande del mundo; después de todo, fue construido para buscar el bosón de Higgs, aunque no solo.
Ahora los físicos quieren profundizar en los misterios del bosón de Higgs con la esperanza de que sea la clave para resolver los problemas de larga duración de la física de partículas. "El Higgs es una partícula especial", dice el físico Yifang Wang, director del Instituto de Física de Altas Energías en Beijing. "Creemos que el Higgs es una ventana al futuro".
El Gran Colisionador de Hadrones, también conocido como LHC, que consiste en un anillo de 27 kilómetros de largo, dentro del cual los protones aceleran a casi la velocidad de la luz y chocan miles de millones de veces por segundo, casi ha alcanzado su límite. Hizo un excelente trabajo al encontrar el Higgs, pero no es apto para una investigación detallada.
Por lo tanto, los físicos de partículas están exigiendo un nuevo colisionador de partículas especialmente diseñado para lanzar pilas de bosones de Higgs. Se han propuesto varios diseños para estas nuevas y poderosas máquinas, y los científicos esperan que estas fábricas de Higgs puedan ayudar a encontrar soluciones a las flagrantes debilidades del Modelo Estándar.
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"El Modelo Estándar no es una teoría completa del universo", dice la física de partículas experimental Galina Abramovich de la Universidad de Tel Aviv. Por ejemplo, esta teoría no explica la materia oscura, una sustancia no identificada cuya masa es necesaria para dar cuenta de las observaciones cósmicas, como el movimiento de las estrellas en las galaxias. Tampoco explica por qué el universo está hecho de materia, mientras que la antimateria es extremadamente rara.
Los defensores de los nuevos colisionadores argumentan que un estudio cuidadoso del bosón de Higgs podría orientar a los científicos hacia la solución de estos misterios. Pero entre los científicos, no todos apoyan el deseo de nuevos aceleradores costosos. Además, no está claro qué máquinas exactamente se pueden encontrar.
Próximo en la fila
El primero en la línea es el International Linear Collider en el norte de Japón. A diferencia del LHC, en el que las partículas se mueven en un anillo, el MLC acelera dos haces de partículas en línea recta, directamente uno encima del otro, a lo largo de sus 20 kilómetros de longitud. Y en lugar de juntar los protones, empuja a los electrones y sus compañeros de antimateria, los positrones.
Sin embargo, en diciembre de 2018, un comité interdisciplinario del Consejo Científico de Japón se opuso al proyecto, instando al gobierno a tener cuidado con su apoyo y preguntándose si los avances científicos esperados justificaban el costo del colisionador, que actualmente se estima en $ 5 mil millones.
Los defensores argumentan que el plan de MLK de colisionar electrones y positrones, en lugar de protones, tiene varias ventajas importantes. Los electrones y los positrones son partículas elementales, es decir, no tienen componentes más pequeños y los protones están compuestos por partículas más pequeñas: los quarks. Esto significa que las colisiones de protones serán más caóticas y crearán más partículas inútiles que tendrán que ser tamizadas.
Además, en las colisiones de protones, solo una parte de la energía de cada protón cae realmente en la colisión, mientras que en las colisiones electrón-positrón, las partículas transfieren la energía total a la colisión. Esto significa que los científicos pueden ajustar la energía de colisión para maximizar la cantidad de bosones de Higgs producidos. Al mismo tiempo, el MLK solo requeriría 250 mil millones de electronvoltios para producir bosones de Higgs, en comparación con los 13 billones de electronvoltios en el LHC.
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En MLK, "la calidad de los datos será mucho mejor", dice el físico de partículas Lyn Evans del CERN en Ginebra. Una de cada 100 colisiones en el MLK producirá el bosón de Higgs, mientras que en el LHC esto ocurre una vez cada 10 mil millones de colisiones.
Se espera que el gobierno japonés tome una decisión sobre el colisionador en marzo. Evans dice que si se aprueba el MLK, tardará unos 12 años en construirse. Más tarde, el acelerador también se puede actualizar para aumentar la energía que puede alcanzar.
El CERN tiene planes de construir una máquina similar, el Compact Linear Collider (CLIC). También chocará electrones y positrones, pero a energías más altas que el MLK. Su energía comenzará en 380 mil millones de electronvoltios y aumentará a 3 billones de electronvoltios en una serie de actualizaciones. Para alcanzar estas energías más altas, es necesario desarrollar una nueva tecnología de aceleración de partículas, lo que significa que CLIC no aparecerá antes del MLK, dice Evans, quien lidera la colaboración de investigación en ambos proyectos.
Corriendo en círculo
Los otros dos colisionadores previstos, en China y Europa, serán tan redondos como el LHC, pero mucho más grandes: cada uno con una circunferencia de 100 kilómetros. Este es un círculo lo suficientemente grande como para rodear el país de Liechtenstein dos veces. Esta es prácticamente la longitud de la carretera de circunvalación de Moscú.
El colisionador circular de electrones y positrones, cuyo sitio de construcción aún no se ha determinado en China, colisionará 240 mil millones de electrones y positrones de electrón-voltios, según un plan conceptual presentado oficialmente en noviembre y patrocinado por Wang y el Instituto de Física de Altas Energías. Este acelerador podría actualizarse más tarde para colisionar protones de alta energía. Los científicos dicen que podrían comenzar a construir esta máquina de $ 5-6 mil millones para 2022 y completarla para 2030.
Y en el CERN, el futuro Colisionador Circular propuesto, BKK, también entrará en funcionamiento por etapas, colisionando electrones con positrones y protones posteriores. El objetivo final será lograr colisiones de protones a 100 billones de electronvoltios, más de siete veces la energía del LHC.
Mientras tanto, los científicos han apagado el LHC durante dos años, actualizando la máquina para que funcione con mayor energía. En 2026 comenzará a funcionar el LHC con una alta luminosidad, lo que aumentará la frecuencia de colisiones de protones en al menos cinco veces.
Retrato de Higgs
Cuando se construyó el LHC, los científicos tenían la confianza suficiente para encontrar el bosón de Higgs con él. Pero con las máquinas nuevas, no está claro qué partículas nuevas buscar. Simplemente catalogarán la fuerza con la que el Higgs interactúa con otras partículas conocidas.
Las mediciones de las interacciones de Higgs pueden confirmar las expectativas del Modelo Estándar. Pero si las observaciones difieren de las expectativas, la discrepancia puede indicar indirectamente la presencia de algo nuevo, como las partículas que componen la materia oscura.
Algunos científicos esperan que suceda algo inesperado. Porque el propio bosón de Higgs es un misterio: estas partículas se condensan en un líquido parecido a la melaza. ¿Por qué? No tenemos idea, dice el teórico de partículas Michael Peskin de la Universidad de Stanford. Este fluido impregna el universo, ralentiza las partículas y les da peso.
Otro misterio es que la masa de Higgs es un millón de billones menos de lo esperado. Esta rareza puede indicar que hay otras partículas. Los científicos pensaban anteriormente que podrían responder al problema de Higgs con la ayuda de la teoría de la supersimetría, una consonante de la cual cada partícula tiene un compañero más pesado. Pero esto no sucedió, porque el LHC no encontró rastros de partículas supersimétricas.
Los futuros colisionadores aún pueden encontrar evidencia de supersimetría o insinuar nuevas partículas, pero esta vez los científicos no harán promesas. Ahora están más ocupados desarrollando prioridades y argumentando a favor de nuevos colisionadores y otros experimentos en física de partículas. Una cosa es segura: los aceleradores propuestos explorarán un territorio desconocido con resultados impredecibles.
Ilya Khel
