miércoles, 29 de agosto de 2012

Después de Higgs: El paisaje para una nueva partícula


Los físicos están planeando aceleradores de gran alcance que se van a necesitar para estudiar el bosón de Higgs y sus interacciones en detalle.

Créditos:Brendan Monroe.
Cuando los físicos de partículas de todo el mundo se despertaron el 5 de julio, las escenas de alegría, alivio y lágrimas estaban todavía frescas en su mente -junto con una gran pregunta sin respuesta. Los recuerdos eran de las celebraciones del día anterior, cuando los investigadores anunciaron que una nueva partícula muy parecida a la del bosón largamente buscado bosón de Higgs por fin se había encontrado en los datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, Laboratorio de Física de Partículas Europeo fuera de Ginebra en Suiza. La pregunta ahora pretende definir el futuro de toda su disciplina ¿Es la partícula bosón de Higgs como lo predice el modelo estándar con 40 años de edad, la versión más simplista para la física de partículas? ¿O es algo más complejo e interesante que apuntará hacia una teoría más profunda y completa?

Los físicos esperan que el LHC vaya a darles algunas respuestas en los próximos años. Pero ya están afilando sus argumentos de una máquina para continuar el legado de LHC -una "fábrica de Higgs que iluminaría esa teoría con mediciones mucho más precisas que el LHC puede proporcionar.

"Sabemos que debe haber una nueva física más allá del modelo estándar", comenta Barry Barish, físico del Instituto de Tecnología de California en Pasadena. Eso está garantizado y otros físicos sostienen, que la existencia de fenómenos que no encajan fácilmente en el modelo, tal como el invisible andamio de 'materia oscura', el cual se sospecha comprende una cuarta parte de la densidad de masa del Universo, o la capacidad de las partículas llamadas neutrinos a "oscilar" de una forma a otra. Barish encabeza el consorcio global que está diseñando el Colisionador Lineal Internacional (ILC), un acelerador candidato de la gran máquina que viene. Aunque nadie sabe todavía lo que la nueva física implicará, "nuestra estrategia es estar listo ante todo en lugar de sólo eventualidades".

El costo, las escalas de tiempo y las capacidades de las máquinas candidatos CIT y otras serán examinadas en el taller de Estrategia Europea de Física de Partículas en Cracovia, Polonia, los días 10-12 de septiembre, donde se establecerán las prioridades para este campo en Europa durante los próximos cinco años. Físicos estadounidenses de partículas está planeando un ejercicio similar en una reunión en Snowmass, Colorado, en junio de 2013.

Pero los planes son una cosa, la realidad es otra. La financiación de cualquier máquina nueva, sobre todo en una crisis económica, será una "tarea difícil", reitera Christopher Llewellyn-Smith, director de investigación de energía en la Universidad de Oxford, Reino Unido, y director del CERN en el momento en que LHC fue aprobado. "Va a depender de qué otras nuevas partículas en el LHC se encuentren, ya sea en las nuevas instalaciones que apoye unánimemente la comunidad, y en su costo", explica. "Incluso si el caso de la física es tan fuerte como para que el LHC, y el costo es tal que se puede hacer con una constante global de alta energía presupuesto física, todavía será difícil".

La vida en el LHC


Un tema clave en discusión en el taller de Cracovia será hasta qué punto los equipos del LHC puede ir en la medición de las propiedades de la nueva partícula. Los físicos que trabajan allí pueden esperar muchos más datos, además de la mejora importante en los próximos diez años.

Ellos ya tienen una buena noticia: la masa de la partícula de Higgs -alrededor de 125 mil millones de electronvoltios (GeV)- que resulta se encuentra hacia el final del rango de luz que los teóricos habían calculado. Esto tiene dos importantes consecuencias: significa que un relativamente modesto nuevo colisionador sería suficiente para producir el bosón de Higgs a granel y le da a la partícula de nuevo una gran variedad de modos de desintegración que hará que sea más fácil para los físicos estudiar sus interacciones con modelo estándar de partículas.

Una de las prioridades, por ejemplo, es comprobar la predicción del modelo estándar para la forma en que el Higgs interactúa con fermiones: entidades como electrones, muones y quarks que tienen un momento angular intrínseco, o 'spin', de ½ en unidades cuánticas. La probabilidad de una interacción con cada partícula se supone que es proporcional a su masa - no menos importante, ya que, en el modelo estándar de interacción, con el Higgs es lo que crea la masa.

Otra prioridad es verificar que la nueva partícula con espín intrínseco tiene el valor estándar de 0 en el modelo. Los físicos del LHC consideran que la nueva partícula es un bosón -lo que significa que su giro en unidades cuánticas es 0, 1, 2 o algún otro número entero- y que el entero no puede ser 1, ambas conclusiones se derivan de la decadencia observada de la partícula en parejas de los fotones, que son spin-bosones. Los físicos no tienen locas teorías que involucran bosones con un giro mayor que 2, dice el físico Albert de Roeck en CERN, coordinador científico del equipo que trabaja en el detector Compact Muon Solenoid en el LHC, por lo que su tarea consiste ahora en determinar si se trata de un espín-2 o un bosón de espín-0 'escalar' como se predijo.

El LHC resolverá el caso de spin, explica el director general del CERN, Rolf Heuer, pero no está tan claro hasta qué punto el LHC puede ir probando el nuevo bosón en acoplamientos a otras partículas -en particular, la "auto-interacción" por la cual Higgs proporciona masa-. En la actualidad, todos los físicos del LHC pueden decir que el nuevo bosón y sus interacciones con otras partículas son consistentes con las predicciones del modelo estándar dentro de las incertidumbres de medición actuales de 30-40%. De acuerdo a Roeck, el colisionador debe conseguir esas incertidumbres hasta un 20% para finales de este año, y posiblemente hasta "un pequeño porcentaje" en los próximos 10-15 años.

Pero eso, para muchos físicos, es precisamente por lo que se necesita una máquina de nueva generación. Una prueba realmente exigente del modelo estándar, lo que pondría de manifiesto desviaciones pequeñas que podrían señalar el camino hacia mejores modelos, son las demandas de los investigadores que miden la interacción del Higgs con otras partículas a menos de 1% de incertidumbre, posiblemente tan sólo el 0,1% si la precisión del valor teórico de predicciones mejorará en los próximos años. Y eso es un nivel que el LHC tiene poca posibilidad de alcanzar. La máquina es como un mazo: viajan paquetes que contienen cientos de miles de millones de protones a energías que eventualmente alcanzar los 7 billones de electronvoltios (TeV) por haz. Esto es bueno para el descubrimiento de nuevas partículas masivas, pero no tanto para hacer mediciones de precisión, ya que los protones son mares caóticos de quarks y gluones que hacen desordenadas las colisiones.

En cambio, todas las propuestas para una máquina de nueva generación exige algún colisionador de tipo leptón. Los leptones, son un grupo de partículas de luz que incluye electrones, muones y neutrinos, que eluden el desorden al no participar en las fuertes interacciones quark-gluón que los producen. Los leptones son elementales e interactúan sólo a través de electromagnétismo relativamente débil y con fuerzas débiles. Como resultado, las máquinas de leptones son más como escalpelos que mazos: sus colisiones pueden ser sintonizados a la masa de una partícula individual y la pulverización de partículas creadas sería relativamente limpias y sencillas de interpretar.

Muones o electrones


Una opción relativamente barata, argumentan algunos físicos, sería colocar los tubos de un nuevo acelerador LHC en el lado del túnel existente y utilizarlo para colisionar haces opuestos de electrones y electrones antimateria (más conocidos como positrones). Esta propuesta, conocida como LEP3 en honor del Gran Colisionador Electrón-Positrón (LEP) que ocupaba antes de la construcción del túnel del LHC comenzó en 2000, surgió sólo en el año pasado como prueba preliminar para la nueva partícula se acumulaban. LEP3 podría producir bosones de Higgs con sólo 120 GeV por haz -una energía total de 240 GeV- sólo una muesca hasta el máximo de LEP original de 209 GeV. Su producción se impulsaría aún más por los recientes avances tecnológicos que permitan una tasa de colisión, o "luminosidad", unas 500 veces mayor que el LEP podría haber logrado.

La construcción de LEP3 en el túnel del LHC podría permitir que algunos de los detectores de partículas del LHC sean reutilizados, haciendo uso de la infraestructura existente del CERN para energía, mantenimiento y toma de datos. Tales ahorros traerían a LEP3 un costo estimado de hasta $ 1 mil millones y $ 2 millones de dólares de EE.UU., muy por debajo de la etiqueta del precio de LHC estimado en $ 6 mil millones. "La idea es no dar por acabado", dice Alain Blondel un promotor de esta idea de la Universidad de Ginebra, que señala que no debe haber espacio para construir el nuevo colisionador de leptones sin quitar el LHC: el túnel estaba destinado a tener ambos tipos de colisionador funcionando simultáneamente.

A pesar de considerar todas las ventajas LEP3 no sería capaz de estudiar algo mucho más pesado que el Higgs. Y eso podría ser un problema en si, ante el cual muchos físicos de partículas mantienen la esperanza, el LHC termina descubriendo nuevas partículas más pesadas que los teóricos predicen a partir de ideas tales como la supersimetría o incluso encontrar dimensiones extra. La intensificación de la energía de LEP3 para estudiar las partículas más pesadas sería virtualmente imposible debido a las pérdidas por radiación de sincrotrón -el flujo de fotones emitidos cuando cualquier partícula cargada que se mueve a lo largo de una trayectoria curva. Esto no se trata tanto de un problema de los protones del LHC, debido a las pérdidas de energía de la radiación de sincrotrón que caen dramáticamente para partículas de mayor masa, protones y electrones son mayores en un factor de casi 2,000. Pero las pérdidas en LEP3 serían severas. La única manera de aumentar la energía del acelerador sería aumentar su radio, lo que requeriría un nuevo túnel. Algunos físicos han hablado de la perforación de un nuevo túnel extendido bajo el Lago Ginebra y la instalación de una estructura circular de 80 kilómetros electrón-positrón, aunque eso no es algo para el futuro previsible, comenta Heuer.

Mientras tanto, los físicos de todo el mundo han estado explorando conceptos para un alternativo Colisionador Higgs que sería mucho más pequeño que LEP3, quizás con tan sólo 1,5 km de circunferencia. Para colisionar haces de muones, se requieren partículas como electrones con 207 veces la masa de un electrón, tal máquina tiene insignificantes pérdidas de radiación de sincrotrón y podría producir decenas de miles de bosones de Higgs de una energía de colisión total de sólo 125 GeV, en oposición a 240 GeV de LEP3. También sería capaz de emplear energías mucho mayores, para estudiar partículas más pesadas.

Sin embargo, un colisionador de muones se enfrenta a grandes obstáculos propios, sobre todo el hecho de que los muones se descomponen en electrones y neutrinos con una vida media de 2,2 microsegundos. Eso es mucho tiempo en el reino subatómico, donde la vida de partículas a menudo se mide en fracciones de una billonésima parte de un nanosegundo. Sin embargo, en términos de ingeniería, es prácticamente instantánea. Muones para un acelerador tendrían que ser producidos por colisiones de haces de protones en un blanco de metal; luego 'enfriados', o alineados en un haz ordenado, y por último se aceleró a la energía requerida, todo en un marco de tiempo considerablemente más corto que el parpadeo de un ojo. Ese desafío está siendo abordada por el experimento de enfriamiento de ionización de muones (MICE) en el Laboratorio Rutherford Appleton cerca de Oxford, Reino Unido. MICE se espera concluya sus estudios en 2016, momento en que la tecnología de enfriamiento puede ser lo suficientemente avanzada como para el CERN pueda usarlo para construir una fábrica de neutrinos -un paso hacia un colisionador muón- que dispare haces de muón de neutrinos a través de la Tierra a un Detector a miles de kilómetros de distancia, como se propone en Finlandia.

Sin embargo, muchos físicos se muestran escépticos. "Dudo que vaya a ver un colisionador de muones trabajando en mi vida", opina Brian Foster, físico de la Universidad de Oxford. "Hemos estado tratando de trabajar con muones enfriado durante más de diez años y es simplemente muy difícil".

Foster es el director regional europeo para el concepto de un colisionador lineal rival electrón-positrón. Este tipo de máquina sería esencialmente un acelerador largo, con electrones moviéndose por el cañón de una misma longitud y positrones desplazandose en línea contrario con colisiones de paquetes en medio. La falta de curvatura eliminaría las pérdidas de radiación sincrotrón.

Ideas para una gran colisionador lineal comenzó a surgir en la década de 1980, y, finalmente convergieron en dos conceptos. ILC desarrollado por un consorcio mundial de laboratorios y universidades, posería unos 30 kilómetros de largo y utilizaría la tecnología probada de superconductores del acelerador para alcanzar energías de 0,5 TeV, con la posibilidad de actualización a 1 TeV. El equipo de la Coalición está pronto a publicar un informe sobre el diseño técnico y el costo del proyecto se estima en US $ 6,7 mil millones.  Collider Linear Pact (CLIC), defendido por el CERN, tendría casi 50 kilómetros de largo y utiliza nuevas técnicas de aceleración para alcanzar energías de 3 TeV. Los costos de CLIC son menos claros que los de ILC ya que sólo un informe de diseño conceptual está disponible, pero sus energías superiores abren nuevos campos para el descubrimiento, así como para medidas de precisión.

El rendimiento de cualquier diseño ha sido ampliamente estudiado teóricamente, pero en la práctica es una "pregunta abierta", según Blondel, portavoz de MICE. Señalando el desempeño del Colisionador Lineal de Stanford (SLC) en Menlo Park, California, alcanzó casi energías de 100 GeV. "El SLC finalmente funcionó muy bien, pero nunca produjo la potencia que ellos querían. Era una máquina muy dura y ahora con ILC o CLIC estamos hablando de algo que es mucho más difícil."

Sin embargo, para muchos, si no la mayoría de físicos de partículas, alguna forma de colisionador lineal parece ser la mejor apuesta. En junio, el Comité Internacional para Futuros Aceleradores, con sede en el Fermilab en Batavia, Illinois, trajo la ILC y CLIC juntos bajo un solo proyecto Linear Collider, encabezado por el ex director de LHC Lyn Evans. Su objetivo es ofrecer una propuesta única de colisionador lineal a finales de 2015.

Un plan sensato, piensa Evans, es construir un colisionador lineal a partir de 250 GeV para sondear el bosón de Higgs, a continuación, aumentar su energía hasta llegar a 500 GeV. En ese momento se podrían producir pares de bosones de Higgs y permitir a investigadores estudiar cómo parejas de Higgs y también como interactúa con la mayor partícula de materia, el quark top. El ir a energías más altas es técnicamente factible, dice, pero requiere más electricidad -lo más digno de una estación de energía medio. En la práctica, dice, "Creer que un límite superior en el poder [en el nuevo sitio hipotético] es el máximo que se puede suministrar al sitio CERN, que es de 300 MW."

Tecnología aparte, la cuestión de la sede de miles de millones de dólares que será el próximo colisionador. Una regla de oro es que el país anfitrión ponga hasta la mitad del costo con la expectativa de rentabilidad a largo plazo económico, añadee Foster. Pero esto no es un período bueno a nivel  económico para estar haciendolo, especialmente para un proyecto que, desde el punto de vista político, no tiene ningún beneficio a corto plazo a los votantes.

Hacia la globalización


Si un colisionador lineal debe ser aprobado en los próximos años, comparte Evans, es probable que no se construirá en el CERN. A pesar de la riqueza en infraestructura técnica y política del laboratorio europeo, tiene sus manos llenas con el LHC, que ni siquiera está previsto que alcance su diseño energía de 7 TeV por haz hasta 2014 y también está programado para someterse a una actualización de luminosidad en torno a 2022. "Yo apostaría que la máxima prioridad de la estrategia europea será continuar explotando y actualizar el LHC", agrega John Womersley, director ejecutivo de Britain's Science and Technology Facilities Council, que controla el gasto del país en física de partículas.

Estados Unidos es también un lugar poco probable para un nuevo acelerador, opina el director del Fermilab Pier Oddone, quien es presidente del Comité Internacional para Futuros Aceleradores. "Algo drástico tendría que cambiar", explica. Tras el cierre del colisionador Tevatron de Fermilab, que cruzó la frontera de energía procedente de los Estados Unidos a Europa. Así que la actual estrategia de EE.UU. es concentrarse en la "intensidad de frontera", el estudio de las interacciones partículas raras producidas por ejemplo mediante intensos rayos de neutrinos. Sin embargo, dice Oddone, "teníamos un presupuesto bastante corto a principios de este año y tuvo problemas de adaptación en el centro de [un experimento basado en neutrinos] que cuesta una décima parte de CDI". Oddone dice que también sería "muy difícil" en este momento para los Estados Unidos aportar mucho a un colisionador de leptones construido en otro lugar.

Muchos observadores creen que, con mucho, el más fuerte candidato para albergar el próximo proyecto es Japón. Después de todo, señala Evans, Japón hizo una importante contribución al LHC en la década de 1990, cuando el proyecto estaba bajo presión financiera. "Tal vez es hora de que Europa devuelva el favor", explica. El primer ministro japonés hizo referencias positivas a ILC, justo después de los primeros avistamientos preliminares del bosón fueron anunciados. Hay un olor de fondos adicionales, ya que el nuevo acelerador se está debatiendo como parte de un plan económico más amplio para impulsar las regiones devastadas por el terremoto de marzo de 2011, la idea es que sea el centro de los laboratorios de investigación que comprenden una "ciudad internacional" , con zonas industriales y centros educativos. Y a medida que los físicos de partículas japoneses actualicen su hoja de ruta de cinco años este año, ILC se mantiene en la cima de su nuevo proyecto, la lista de deseos. En concreto, explica Atsuto Suzuki, director general del laboratorio KEK en Tsukuba, la recomendación de la comunidad fue que "Japón debería asumir el liderazgo de la pronta realización de un colisionador electrón-positrón lineal si se confirma como tal el bosón de Higgs en el LHC ".

Así es ¿qué el ILC finalmente parece una apuesta segura? "¡Por Dios, no!", explica Foster, "pero esta es la mejor oportunidad que hemos tenido en mucho tiempo". Womersley da probabilidades de que ILC sea la mejor opción en un 50:50. "No hay que dar por sentado que el dinero este disponible sólo porque el bosón de Higgs se ha encontrado", reitera, señalando que también hay casos fuertes para la próxima generación de experimentos de neutrinos, por ejemplo. Se necesitarían alrededor de diez años innovando para operar un CDI, estima Oddone, más el tiempo de preparación. "Estamos hablando de 2025 como muy pronto, pero ¿lanzar un proyecto de gran envergadura antes de saber qué más podría encontrar el LHC? Puede haber cosas mucho más apasionantes que el bosón de Higgs ".

Para muchos físicos de partículas, el escenario ideal es LHC  en la exploración de la frontera de alta energía en Europa, varios experimentos con neutrinos que exploran la frontera de intensidad en los Estados Unidos y un nuevo leptón colisionador en Japón fijaron los detalles de todas las nuevas partículas exóticas que hasta el momento no han aparecido en las colisiones del LHC. "Me encantaría vernos en esa dirección, si los países ponen su peso detrás de los programas en cada región", considera Terry Wyatt, un físico de la Universidad de Manchester, Reino Unido, que trabaja en el detector ATLAS en el LHC.

Como siempre en el mundo de la gran ciencia, donde los sueños se hacen realidad es una cuestión de hacer la venta a los extranjeros. "Estas cosas probablemente se resolveran fuera de la esfera de física de partículas", dijo Oddone. "Podría ser una llamada telefónica entre un presidente y un primer ministro la que decida".

Referencia:

0 comentarios:

Publicar un comentario

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...