La ciencia en una nueva frontera de la energía

En los años ‘60, un grupo de físicos, entre los que se encontraba el británico Peter Higgs, postuló la existencia de un tipo de partícula elemental en el Modelo Estándar de Física de Partículas conocida como bosón de Higgs, que explicaría el mecanismo por el cual adquieren masa todas las partículas elementales incluyendo el propio bosón de Higgs. Esta partícula no puede detectarse directamente, ya que una vez que se produce se desintegra casi inmediatamente (10^-22 segundos).

Varias décadas después y tras años de investigación en búsqueda del bosón de Higgs, el 4 de julio de 2012, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por su sigla en inglés) anunció el histórico hallazgo de una partícula de características similares a las predichas por Higgs, que confirmarían su existencia. Este descubrimiento fue posible gracias a los experimentos realizados con los detectores del acelerador y colisionador de partículas más grande del mundo llamado Gran Colisionador de Hadrones (LHC, del inglés Large Hadron Collider).

María Teresa Dova, investigadora superior del CONICET en el Instituto de Física de La Plata (IFLP, CONICET-UNLP) junto a un equipo del Instituto y de la Universidad de Buenos Aires (UBA), trabaja desde hace 9 años en uno de los cuatro experimentos que se llevan a cabo en simultáneo en el LHC. Se trata de ATLAS (Aparato Toroidal del LHC), un gigante detector multipropósito que con millones de sensores colecta datos que permiten explorar regiones de energías nunca antes producidas en un acelerador.

“En el LHC se producen colisiones entre protones. Algunos son acelerados en una dirección en el anillo y otros en otra, aumentando su energía cada vez que pasan por una cavidad aceleradora basada en campos eléctricos variables. ¿Cómo se mantienen en esas órbitas? Por campos magnéticos muy potentes que están producidos por dispositivos que se llaman dipolos superconductores que funcionan a bajísimas temperaturas. Es como un auto cuando toma una curva muy cerrada y tiende a salir de la ruta, de alguna manera hay que darle una fuerza para retenerlo”, aclara Dova.

Durante 27 meses, desde que culminó la primera fase de funcionamiento del acelerador (Run 1), se hicieron todas las mejoras necesarias en los dipolos superconductores para poder producir campos magnéticos tan intensos que mantengan estas partículas dentro el anillo mientras se mueven con velocidades próximas a la de la luz y a altísima energía. Estos dispositivos poseen una tecnología muy compleja y delicada a la vez y el más mínimo defecto o error puede destruir muchísimos de ellos.

Asimismo, también se realizaron perfeccionamientos en los sistemas de toma de datos de los detectores. En el Gran Colisionador de Hadrones se cruzan 40 millones de paquetes de protones por segundo y se producen unas 25 colisiones cada vez que esto ocurre, lo que da como resultado una cantidad de datos inabarcables para la tecnología de almacenamiento actual. Por eso los detectores cuentan con un sistema de selección en línea (trigger) que se dispara para guardar sólo los eventos de interés para física de altas energías. Los datos seleccionados se envían, a través de un sistema de computación llamado GRID, a distintos investigadores alrededor del mundo para que los analicen.

Estas, entre otras innovaciones, dieron lugar a que el pasado 3 de junio comenzara el segundo ciclo de funcionamiento del LHC (Run 2) en el que se logró que los haces de protones que circulan en él, colisionen en forma estable a 13 Tera electronvoltios (TeV), casi el doble de energía que en la primera etapa. Este aumento incrementará la posibilidad de crear más bosones de Higgs, poder describir sus propiedades con gran precisión y encontrar nuevas partículas e interacciones que podrían manifestarse

En este sentido, Dova afirma que después que los ingenieros trabajaran arduamente dos años, llegó el momento de los físicos. En esta nueva etapa aumenta la energía y la potencia del acelerador por lo que se producen un mayor número de colisiones por segundo. Una vez producido, el bosón de Higgs decae instantáneamente en un par de partículas, como dos fotones, dos leptones taus, dos quarks bottom o dos bosones Z o W, entre otras posibilidades. Estos pares permiten reconstruir todas las propiedades del “padre”. Distintos grupos de científicos se avocan a la búsqueda de estos distintos canales. El equipo de Dova trabaja en el trigger y análisis de datos del canal de decaimiento a dos fotones.

“Sabemos que existe el bosón de Higgs y ahora estamos abocados a la tarea de caracterizarlo en detalle. Las nuevas colisiones a 13 TeV nos tienen muy expectantes, queremos más descubrimientos y tenemos un instrumento fantástico como es el LHC, y el detector ATLAS. La naturaleza tiene que ser solamente un poco generosa, ya estamos listos para la búsqueda de nuevas partículas y fuerzas porque ahora que hay muchísima más energía disponible”, sostiene la investigadora.

Una de las cuestiones más interesantes según Dova es que este incremento en la energía podría aportar al entendimiento de la materia oscura. Los datos colectados a partir de las colisiones a alta energía podrían esconder estas partículas y su descubrimiento sería crucial para resolver su naturaleza. Cuando la materia y la antimateria entran en contacto se aniquilan, dejando sólo energía. El Big Bang debería haber creado la misma cantidad de materia que de antimateria, pero en el universo hay mucha más materia que antimateria. Los datos del Run 2 permitirán a los físicos comprobar si sus propiedades difieren entre sí.

“Hay algunos modelos que predicen que podría estar compuesta por partículas supersimétricas que son ’super compañeras‘ de todas las partículas que conocemos. ¿Por qué no las vimos todavía? Porque tienen enormes masas y recién ahora quizá podrían producirse. Según la fórmula de Einstein, masa y energía son dos caras de la misma moneda. Toda esa energía disponible de las colisiones se puede convertir en masa. Cuanto más energía, pueden crearse partículas más masivas que no están presentes en nuestro universo actual sino que estuvieron presentes en los primeros instantes del universo primitivo. Como se trata de materia oscura, son partículas “invisibles”. La manera que tenemos de detectarla es en algunos procesos que tienen un desbalance de energía en su estado final”, explica.

Asimismo, Dova destaca que una gran cantidad de desarrollos cotidianos fueron derivados de la tecnología desarrollada por la física de altas energías. Por ejemplo, los detectores de pixeles que miden con una notable precisión el paso de las partículas en el LHC, se aplican en la medicina por imágenes. Además del emblemático caso de la World Wide Web (WWW), el lenguaje en el que se basa Internet, que fue creado en el CERN para compartir información entre investigadores de todo el mundo o el sistema GRID para poder almacenar y manipular enormes cantidad de datos.

“Lo más importante que uno le puede dar a la humanidad es el conocimiento, la búsqueda de él siempre va a traer retornos y hacer que la civilización avance. Siempre que se enciende un acelerador en una nueva región de energía, hay algo nuevo. Estamos a plena marcha y muy preparados. Pensamos que los resultados más interesantes podemos llegar a darlos a fin de este año, se necesitan muchísimos datos porque los eventos más interesantes son muy raros. En el Run 1 tuvimos 10¹⁵ colisiones y solo unos cuantos miles contenían bosones de Higgs porque tienen una probabilidad de ocurrencia baja. Por eso hay que generar tantos datos para poder hacer un estudio estadístico”, concluye.