Nadie se mete con el Gran Colisionador de Hadrones. Es el destructor supremo de partículas de la era actual, y nada puede tocar sus capacidades energéticas o su capacidad para estudiar las fronteras de la física. Pero toda la gloria es transitoria, y nada dura para siempre. Eventualmente, en algún lugar alrededor de 2035, las luces en este anillo de poder de 17 millas de largo (27 kilómetros) se apagarán. ¿Qué viene después de eso?
Los grupos competidores de todo el mundo están luchando para asegurar el respaldo financiero para hacer de sus ideas de colisionadores de mascotas la próxima gran cosa. Un diseño se describió el 13 de agosto en un artículo en el diario de preimpresión arXiv. Conocido como el Compact Linear Collider (o CLIC, porque eso es lindo), el cañón de riel subatómico masivo propuesto parece ser el favorito. ¿Cuál es la verdadera naturaleza del bosón de Higgs? ¿Cuál es su relación con el quark top? ¿Podemos encontrar indicios de física más allá del modelo estándar? CLIC puede responder esas preguntas. Solo involucra un colisionador de partículas más largo que Manhattan.
Subatomic drag racing
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) aplasta partículas algo pesadas conocidas como hadrones (de ahí el nombre de la instalación). Tienes un montón de hadrones dentro de tu cuerpo; Los protones y los neutrones son los representantes más comunes de ese clan microscópico. En el LHC, los hadrones dan vueltas y vueltas en un círculo gigante, hasta que se acercan a la velocidad de la luz y comienzan a romperse. Si bien es impresionante, el LHC alcanza energías inigualables por cualquier otro dispositivo en la Tierra, todo el asunto es un poco desordenado. Después de todo, los hadrones son partículas de conglomerado, solo bolsas de otras cosas más pequeñas y más fundamentales, y cuando los hadrones se rompen, todos sus intestinos se derraman por todo el lugar, lo que complica el análisis.
En contraste, CLIC está diseñado para ser mucho más simple, más limpio y más quirúrgico. En lugar de hadrones, CLIC acelerará electrones y positrones, dos partículas fundamentales de luz. Y este destructor acelerará las partículas en línea recta, de 7 a 31 millas (11 a 50 km), dependiendo del diseño final, hasta el cañón.
Toda esta genialidad no sucederá de una vez. El plan actual es que CLIC se ponga en marcha a menor capacidad en 2035, justo cuando el LHC se está acabando. El CLIC de primera generación operará a solo 380 gigaelectronvoltios (GeV), menos de una trigésima parte de la potencia máxima del LHC. De hecho, incluso toda la potencia operativa de CLIC, actualmente dirigida a 3 teraelectronvolts (TeV), es menos de un tercio de lo que el LHC puede hacer ahora.
Entonces, si un colisionador de partículas avanzado de próxima generación no puede superar lo que podemos hacer hoy, ¿cuál es el punto?
Cazador de Higgs
La respuesta de CLIC es trabajar más inteligentemente, no más duro. Uno de los principales objetivos científicos del LHC era encontrar el bosón de Higgs, la partícula buscada durante mucho tiempo que presta su masa a otras partículas. En las décadas de 1980 y 1990, cuando se diseñó el LHC, no estábamos seguros de que el Higgs existiera, y no teníamos idea de cuál era su masa y otras propiedades. Así que tuvimos que construir un instrumento de propósito general que pudiera investigar muchos tipos de interacciones que pudieran revelar potencialmente un Higgs.
Y lo hicimos. ¡Hurra!
Pero ahora que sabemos que el Higgs es algo real, podemos ajustar nuestros colisionadores a un conjunto de interacciones mucho más estrecho. Al hacerlo, intentaremos fabricar tantos bosones de Higgs como sea posible, recolectar montones de datos jugosos y aprender mucho más sobre esta partícula misteriosa pero fundamental.
Y aquí viene quizás la jerga de física más extraña que probablemente encuentres esta semana: Higgsstrahlung. Sip, lo leíste bien. Hay un proceso en física de partículas conocido como bremsstrahlung, que es un tipo único de radiación producida por un montón de partículas calientes apiñadas en una pequeña caja. Por analogía, cuando golpeas un electrón en una posición a altas energías, se destruyen entre sí en una lluvia de energía y nuevas partículas, entre ellas un bosón Z emparejado con un Higgs. Por lo tanto, Higgsstrahlung.
Con 380 Gev, el CLIC será una extraordinaria fábrica de Higgsstrahlung.
Más allá del quark top
En el nuevo artículo, Aleksander Filip Zarnecki, físico de la Universidad de Varsovia en Polonia y miembro de la colaboración CLIC, explicó el estado actual del diseño de la instalación, basado en sofisticadas simulaciones de los detectores y colisiones de partículas.
La esperanza con CLIC es que simplemente produciendo tantos bosones de Higgs como sea posible en un entorno limpio y fácil de estudiar, podemos aprender más sobre la partícula. ¿Hay más de un Higgs? ¿Hablan entre ellos? ¿Cuán fuertemente interactúa el Higgs con todas las otras partículas del Modelo Estándar, la teoría principal de la física subatómica?
La misma filosofía se aplicará al quark top, el menos conocido y el más raro de los quarks. Probablemente no hayas escuchado mucho sobre el quark top porque es un poco solitario: fue el último quark que se descubrió, y solo lo vemos raramente. Incluso en las etapas iniciales, CLIC fabricará alrededor de 1 millón de quarks superiores, proporcionando un poder estadístico desconocido cuando se utiliza el LHC y otros colisionadores modernos. A partir de ahí, el equipo detrás de CLIC espera investigar cómo se descompone la partícula del quark top, lo que ocurre muy raramente. Pero con un millón de ellos, es posible que pueda aprender algo.
Pero eso no es todo. Claro, una cosa es desarrollar el Higgs y el quark top, pero el diseño inteligente de CLIC le permite superar los límites del Modelo Estándar. Hasta ahora, el LHC se ha quedado seco en su búsqueda de nuevas partículas y nueva física. Si bien aún le quedan muchos años para sorprendernos, a medida que pasa el tiempo, la esperanza está disminuyendo.
A través de su producción en bruto de innumerables bosones de Higgs y quarks superiores, CLIC puede buscar indicios de nueva física. Si hay alguna partícula o interacción exótica, podría afectar sutilmente los comportamientos, las desintegraciones y las interacciones de estas dos partículas. CLIC puede incluso producir la partícula responsable de la materia oscura, esa materia misteriosa e invisible que altera el curso de los cielos. La instalación no podrá ver la materia oscura directamente, por supuesto (porque está oscuro), pero los físicos pueden detectar cuándo falta energía o impulso en los eventos de colisión, una señal segura de que algo raro está sucediendo.
¿Quién sabe lo que CLIC podría descubrir? Pero pase lo que pase, tenemos que ir más allá del LHC si queremos una oportunidad decente para comprender las partículas conocidas de nuestro universo y descubrir algunas nuevas.
Paul M. Sutter es astrofísico en La universidad de estado de Ohio, gran cantidad de "Pregúntale a un astronauta" y "Radio espacial, "y autor de"Tu lugar en el universo."
