Listo, listo, listo: la carrera para descubrir nueva física regresa hoy cuando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se vuelve a encender, disparando partículas de iones pesados entre sí al 99,99% de la velocidad de la luz para recrear un estado de materia primordial que no hemos tenido. visto desde el directo After the Big Bang.
los Gran Colisionador de Hadrones Es el acelerador de partículas más largo y poderoso del mundo, disparando haces de partículas subatómicas alrededor de un anillo subterráneo de 27 kilómetros (17 millas) cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Desde que el LHC entró en funcionamiento originalmente en 2010, sus experimentos han producido 3.000 artículos científicos, con una variedad de resultados, incluido el más conocido: el descubrimiento de bosón de Higgs.
«Es realmente cierto decir que estamos haciendo descubrimientos semanalmente», dijo Chris Parks, portavoz de la prueba LHCb, en una conferencia de prensa a fines de junio.
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nueva tecnología
El acelerador de partículas ha pasado los últimos tres años y medio recibiendo actualizaciones biotecnológicas que le permitirán romper haces de partículas con una energía sin precedentes. 6,8 billones de electronvoltios (TeV) en las colisiones que sumarían un total de 13,6 TeV sin precedentes. Eso es un 4,6 % más alto que donde lo dejé en octubre de 2018.
El aumento de la tasa de colisiones de partículas, la mejora de la capacidad de recopilar más datos que nunca y los experimentos completamente nuevos allanarán el camino para que los investigadores realicen ciencia más allá del bosón de Higgs, tal vez incluso más allá de la actual. Forma estándar Partículas fisicas.
En 2020, se instalará un nuevo dispositivo, el Acelerador Lineal (Linac) 4, en el Gran Colisionador de Hadrones. En lugar de inyectar protones en el sistema como antes, Linac 4 impulsará los iones de hidrógeno cargados negativamente, que son dos protones acompañados. electrones. A medida que los iones se mueven a través de Linac 4, los electrones se eliminan para dejar solo los protones, y el entrelazamiento de estos iones permite la formación de grupos de protones más compactos. Esto da como resultado que se disparen haces de protones más estrechos a través del colisionador, lo que aumenta la tasa de colisiones.
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Sin embargo, quizás la actualización tecnológica más importante sea el sistema que lanza experimentos en el LHC para comenzar a recopilar datos.
Dado que la investigación científica se encuentra ahora en la era de los grandes datos, cómo distinguir qué datos vale la pena registrar y analizar se convierte en un problema aún mayor. «Tenemos 14 millones de puntos de tránsito ligero por segundo», dijo Parks. Cada intersección de haz ve haces de partículas que chocan entre sí.
Anteriormente, la selección de información útil de todas esas colisiones se dejaba en manos de la instrumentación convencional y la intuición de los investigadores humanos, lo que resultaba en que solo el 10% de las colisiones se registraban dentro del LHC. El nuevo sistema operativo utiliza el aprendizaje automático para analizar una situación más rápidamente y es más eficiente en términos de qué datos recopilar para su posterior análisis. Esta actualización, por ejemplo, hará que LHCb triplique la frecuencia de muestreo, mientras que el instrumento ALICE (Large Ion Collider Experiment) aumentará la cantidad de eventos registrados en un factor de 50.
«Esto es claramente un gran problema», dijo el portavoz de ALICE, Luciano Musa, en la conferencia de prensa.
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nuevas experiencias
Si bien aún queda trabajo por hacer para aprender sobre el bosón de Higgs, el LHC está equipado para hacer más además de eso.
“Tenemos la ambición de poner el bosón de Higgs en un contexto más amplio, y eso simplemente no se puede resumir en una o dos preguntas”, dijo Gian Guedes, jefe del departamento de física teórica del CERN, durante la conferencia de prensa. «Así que tenemos un programa muy amplio que aborda muchas cuestiones en la física de partículas».
Se instalaron dos nuevos detectores durante el reciente cierre del Gran Colisionador de Hadrones, el FASER, el Experimento de Búsqueda Avanzada, y el SND, el detector de dispersión y neutrinos. FASER buscará partículas ligeras y de interacción débil, incluidos neutrinos y posibles materia oscuramientras que SND se centrará exclusivamente en neutrinos.
Los neutrinos son partículas fantasmagóricas escurridizas que apenas interactúan con nada más a su alrededor: una veta de plomo Año luz Denso solo detendrá la mitad de los neutrinos que pasan a través de él: billones de ellos pasan a través de su cuerpo sin causar daño cada segundo. Dado esto, y aunque los científicos saben que las colisiones dentro del LHC deberían producir neutrinos regularmente, no se han detectado neutrinos generados en el acelerador de partículas (los neutrinos observados por detectores de neutrinos anteriores en su mayoría provienen de el sol). Sin embargo, esto va a cambiar, ya que se espera que FASER y SND detecten aproximadamente 7000 eventos de neutrinos entre ellos durante los próximos cuatro años.
A primera vista, FASER y SND no parecen detectores de neutrinos. Suelen ser enormes, como el tanque de acero inoxidable del reactivo Super Kamiokande en Japón que contiene 50 000 toneladas métricas de agua purificada, o Observatorio de neutrinos Ice Cube En la Antártida, donde hay sensores colocados en 0,6 millas cúbicas (un kilómetro cúbico) de hielo debajo de la superficie. En cambio, el FASER tiene solo 5 pies (1,5 metros) de largo, mientras que el SND es un poco más grande con 8 pies (2,4 metros). En lugar de tener grandes cantidades de líquido o hielo, presenta detectores de tungsteno simples y películas de emulsión, no muy diferentes a las películas fotográficas antiguas.
FASER y SND pueden salirse con la suya siendo demasiado pequeños porque «el LHC produce muchos neutrinos, por lo que se necesita menos masa en el detector para que algunos de ellos interactúen, y los neutrinos producidos en las colisiones del LHC son muy altos», dijo Jamie, portavoz de FASER. Boyd le dijo a Space.com: La energía, la probabilidad de interacción aumenta con la energía.
FASER está ubicado a 480 metros (1,500 pies) de distancia Aguas abajo de la experiencia Atlas, en los túneles desiertos que alguna vez fueron parte del predecesor del Gran Colisionador de Hadrones, el Gran Colisionador de Electrones y Positrones. Los experimentos FASER y SND son complementarios: FASER es ruido de línea de luz, mientras que SND tiene ángulo. De esta manera, son capaces de detectar neutrinos de diferentes energías provenientes de diferentes colisiones de partículas. La mayoría de los neutrinos pasarán desapercibidos en los dos experimentos, pero un pequeño número interactuará con los átomos en las densas capas de tungsteno, lo que hará que los neutrinos se desintegren y produzcan partículas hijas que dejen rastros en la emulsión llamados picos que indican la posición de la interacción. La capa de emulsión se retira cada tres o cuatro meses y se envía a un laboratorio en Japón para su examen. Ya se ha descubierto un pequeño prototipo. Candidatos a neutrinospero el prototipo era demasiado pequeño para confirmar las medidas.
«El resultado principal que estamos buscando es lo que llamamos la sección transversal», dijo Boyd. «Esto describe cómo, en función de su energía, los tres tipos de neutrinos (electrones, muones y tau) interactúan».
Estos diferentes tipos, o «sabores», de neutrinos pueden oscilar entre sí a medida que viajan grandes distancias. Por ejemplo, un neutrino puede comenzar como un neutrino muón antes de oscilar en un neutrino electrónico. En el LHC, la distancia entre los detectores de neutrinos y la fuente de las colisiones en el LHC es tan pequeña que no se pueden esperar oscilaciones a menos que esté involucrada una nueva partícula.
“Si vemos más neutrinos electrónicos y menos neutrinos muónicos de lo que esperamos, esto podría indicar la presencia de un tipo adicional de neutrino, llamado neutrino estérilEsto hace que ocurran estas oscilaciones, dijo Boyd. “Por ahora, los neutrinos estériles siguen siendo hipotéticos, y encontrar evidencia de ellos sería un gran descubrimiento.
nuevas teorías
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Hablando de los descubrimientos, mientras que el LHC se cerró debido a su última actualización, el análisis de los datos del antiguo acelerador de partículas Tevatron en Fermilab en los EE. UU. que se cerró en 2011 ha revelado un indicio tentador de la física que opera fuera del Modelo Estándar. Específicamente, Tevatron encontró evidencia de que la partícula del bosón W, que está involucrada en la mediación de la fuerza débil que gobierna la radiactividad, podría ser más grande de lo que predice el Modelo Estándar. Mientras tanto, hubo lecturas extrañas del LHC y Tevatron del comportamiento de los electrones y muón Esto, de ser cierto, podría desafiar las predicciones del Modelo Estándar. La responsabilidad ahora recae en el LHC para llevar a cabo más investigaciones.
Sin embargo, los científicos del LHC no están listos para sacar conclusiones precipitadas sobre esta o cualquier otra inconsistencia del Modelo Estándar. En cambio, prefieren permanecer neutrales cuando se trata de diferentes teorías sobre lo que observa el LHC, para evitar sesgar los resultados.
«No estamos siguiendo la teoría», dijo la directora general del CERN, Fabiola Gianotti, en la conferencia de prensa. «Creo que nuestro objetivo es comprender cómo funciona la naturaleza en el nivel más básico. Nuestro objetivo no es buscar teorías particulares».
Chris Parks es optimista de que el LHC pueda llegar al fondo de estas discrepancias, de una forma u otra. «Esperamos mucho que con los nuevos datos que estamos recopilando, realmente podamos verificar estas sugerencias interesantes que tenemos y ver si muestran alguna violación del modelo estándar», dijo.
No hay prisa. Después de este nuevo monitoreo de cuatro años realizado por el LHC, habrá otro cierre de actualizaciones adicionales que conducirán a lo que se conoce como el LHC de alta luminosidad. Este trabajo comenzará alrededor de 2029 y detectará anualmente más de 15 millones de bosones de Higgs con energías de colisión de 14 terabytes. Aparte del LHC, hay planes en marcha para un acelerador completamente nuevo en el CERN llamado Future Circular Collider (FCC), que será lo suficientemente potente como para alcanzar energías de 100 TeV cuando comience a operar alrededor de 2040. El FCC será mucho más grande que el LHC, con un túnel de 62 millas (100 kilómetros), sin embargo, el concepto ha generado controversia recientemente con algunos físicos que afirman que su precio potencial de $ 100 mil millones no valdría los beneficios de su construcción y que el dinero podría gastarse más. sabiamente en proyectos más pequeños y más enfocados.
Eso es todo para el futuro. En la actualidad, el Gran Colisionador de Hadrones todavía tiene bosones de Higgs por fabricar, neutrinos por descubrir, nuevas partículas por encontrar y teorías por probar. ¿De qué nuevos descubrimientos hablaremos en cuatro años?
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