Qué mejora aporta al CERN
Seis años después del descubrimiento, el bosón de Higgs valida una predicción. Pronto, una actualización del Gran Colisionador de Hadrones permitirá a los científicos del CERN producir más de estas partículas para probar el Modelo Estándar de física.
Un evento candidato ATLAS para el bosón de Higgs (H) que se descompone en dos quarks inferiores (b), en asociación con un bosón W que se descompone en un muón (μ) y un neutrino (ν). (Imagen: ATLAS / CERN) Escrito por Rashmi Raniwala y Sudhir Raniwala
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Seis años después de que se descubriera el bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, los físicos de partículas anunciaron la semana pasada que habían observado cómo se desintegra la elusiva partícula. El hallazgo, presentado por las colaboraciones de ATLAS y CMS, observó la descomposición del bosón de Higgs en partículas fundamentales conocidas como quarks inferiores.
En 2012, el descubrimiento del bosón de Higgs, ganador del Nobel, validó el modelo estándar de física, que también predice que aproximadamente el 60% de las veces un bosón de Higgs se descompondrá en un par de quarks inferiores. Según el CERN, probar esta predicción es crucial porque el resultado apoyará el modelo estándar, que se basa en la idea de que el campo de Higgs dota de masa a los quarks y otras partículas fundamentales, o hará que sus cimientos se muevan y apunten a una nueva física.
El bosón de Higgs se detectó mediante el estudio de colisiones de partículas a diferentes energías. Pero duran solo un zeptosegundo, que es 0.000000000000000000001 segundos, por lo que detectar y estudiar sus propiedades requiere una cantidad increíble de energía y detectores avanzados. El CERN anunció a principios de este año que recibirá una actualización masiva, que se completará en 2026.
¿Por qué estudiar partículas?
La física de partículas investiga la naturaleza a escalas extremas para comprender los constituyentes fundamentales de la materia. Al igual que la gramática y el vocabulario guían (y restringen) nuestra comunicación, las partículas se comunican entre sí de acuerdo con ciertas reglas que están integradas en lo que se conoce como las 'cuatro interacciones fundamentales'. Las partículas y tres de estas interacciones se describen con éxito mediante un enfoque unificado conocido como Modelo Estándar. El SM es un marco que requería la existencia de una partícula llamada bosón de Higgs, y uno de los principales objetivos del LHC era buscar el bosón de Higgs.
¿Cómo se estudian partículas tan diminutas?
Los protones se recogen en racimos, se aceleran a casi la velocidad de la luz y se hacen chocar. Muchas partículas emergen de tal colisión, denominada evento. Las partículas emergentes exhiben un patrón aparentemente aleatorio pero siguen leyes subyacentes que gobiernan parte de su comportamiento. El estudio de los patrones de emisión de estas partículas nos ayuda a comprender las propiedades y la estructura de las partículas.
Inicialmente, el LHC proporcionó colisiones a energías sin precedentes, lo que nos permitió concentrarnos en estudiar nuevos territorios. Pero ahora es el momento de aumentar el potencial de descubrimiento del LHC registrando una mayor cantidad de eventos.
(Fuente: CERN) Entonces, ¿qué significará una actualización?
Después de descubrir el bosón de Higgs, es imperativo estudiar las propiedades de la partícula recién descubierta y su efecto sobre todas las demás partículas. Esto requiere una gran cantidad de bosones de Higgs. El SM tiene sus deficiencias y existen modelos alternativos que llenan estos vacíos. La validez de estos y otros modelos que proporcionan una alternativa al SM se puede probar experimentando para verificar sus predicciones. Algunas de estas predicciones, incluidas las señales de materia oscura, partículas supersimétricas y otros misterios profundos de la naturaleza, son muy raras y, por lo tanto, difíciles de observar, por lo que se necesita un LHC de alta luminosidad (HL-LHC).
Imagínese tratando de encontrar una rara variedad de diamantes entre una gran cantidad de piezas aparentemente similares. El tiempo necesario para encontrar el diamante codiciado dependerá de la cantidad de piezas proporcionadas por unidad de tiempo para la inspección y del tiempo necesario para la inspección. Para completar esta tarea más rápido, necesitamos aumentar la cantidad de piezas proporcionadas e inspeccionar más rápido. En el proceso, pueden descubrirse algunas piezas nuevas de diamantes, hasta ahora desconocidas y no observadas, cambiando nuestra perspectiva sobre las variedades raras de diamantes.
Una vez actualizado, la tasa de colisiones aumentará y también lo hará la probabilidad de eventos más raros. Además, discernir las propiedades del bosón de Higgs requerirá su abundante suministro. Después de la actualización, la cantidad total de bosones de Higgs producidos en un año puede ser aproximadamente 5 veces la cantidad producida actualmente; y en la misma duración, los datos totales registrados pueden ser más de 20 veces.
Con la luminosidad propuesta (una medida del número de protones que cruzan por unidad de área por unidad de tiempo) del HL-LHC, los experimentos podrán registrar aproximadamente 25 veces más datos en el mismo período que para el LHC en funcionamiento. El rayo en el LHC tiene alrededor de 2.800 racimos, cada uno de los cuales contiene alrededor de 115 mil millones de protones. El HL-LHC tendrá alrededor de 170 mil millones de protones en cada grupo, lo que contribuirá a un aumento de la luminosidad en un factor de 1,5.
¿Cómo se actualizará?
Los protones se mantienen juntos en el grupo usando fuertes campos magnéticos de tipos especiales, formados usando imanes cuadrupolos. Concentrar el grupo en un tamaño más pequeño requiere campos más fuertes y, por lo tanto, mayores corrientes, lo que requiere el uso de cables superconductores. Se utilizarán tecnologías más nuevas y material nuevo (niobio-estaño) para producir los campos magnéticos fuertes requeridos que son 1,5 veces los campos actuales (8-12 tesla).
Se está probando la creación de bobinas largas para tales campos. Se instalarán nuevos equipos en 1,2 km del anillo LHC de 27 km cerca de los dos experimentos principales (ATLAS y CMS), para enfocar y exprimir los racimos justo antes de que se crucen.
Para conectar los convertidores de potencia al acelerador se utilizarán cables de cien metros de material superconductor (enlaces superconductores) con capacidad para transportar hasta 100.000 amperios. El LHC obtiene los protones de una cadena de aceleradores, que también deberá actualizarse para cumplir con los requisitos de alta luminosidad.
Dado que la longitud de cada racimo es de unos pocos cm, para aumentar el número de colisiones se está produciendo una ligera inclinación en los racimos justo antes de las colisiones para aumentar el área efectiva de solapamiento. Esto se hace utilizando 'cavidades de cangrejo'.
Allen Ezail Iverson
La comunidad de física de partículas experimental de la India ha participado activamente en los experimentos ALICE y CMS. El HL-LHC también requerirá una actualización de estos. Tanto el diseño como la fabricación de los nuevos detectores y el análisis de datos resultante tendrán una contribución significativa de los científicos indios.
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