Cómo Detectar una Partícula Nueva (con @JaSantaolalla)
Hey, ¿qué pasa, gente? Estamos de celebración: hace justamente seis años que el bosón de
Higgs, la excitación del campo que le da masa a todas las partículas, fue detectado.
Todo gracias a los experimentos CMS y ATLAS, que tras años utilizando el LHC en las instalaciones
del CERN consiguieron el logro. Hoy vamos a recordar cómo se hizo.
Crespo, para: CERN, CMS, LHC… Son muchos nombres, ¿te echo una mano aclarándolos?
Hombre, por supuesto, Javi. De hecho en este vídeo vamos hablar sobre cómo demonios podemos
detectar partículas billones de veces más pequeñas de lo que puede ver un microscopio.
Sobre el tema de cómo se descubrió el bosón de Higgs lo trataremos en Date un Vlog. Ahora
sí, Javi ¡Dale!
Vamos allá: El CERN es el consejo europeo de investigación nuclear. No es una máquina;
no es un experimento, es un centro de investigación. Aquí trabajan científicos de todo el mundo
tratando de resolver problemas de física, no solo sobre el papel, sino con complejos
experimentos… Y supongo que el experimento más famoso que
el CERN hospeda es el LHC, el gran colisionador de hadrones, y sus detectores.
Veréis, el mundo a nuestro alrededor está formado por unos bloques indivisibles, unos
objetos que nadie ha conseguido romper: estas son las partículas elementales. En concreto,
estas partículas son cuatro: el electrón, dos tipos de quarks y un tipo de neutrino.
Casi todo lo que sucede en el universo puede ser explicado solo con estas cuatro.
Por eso resulta sorprendente saber que existen otras partículas elementales. Entonces, si
hay muchos más “bloques”, ¿por qué solo nos basta con cuatro para explicar esto?
¿Por qué no tienen tanta relevancia en el mundo que vemos?
Los detalles son un poco [meh], pero la idea es que debido a sus propiedades, estas partículas
tienen muchas posibilidades de desaparecer, de decaer en otras. Por eso no estamos rodeados
de ellas; si aparecen, no tardan nada en marcharse. Por ejemplo, esto le pasa al Tau, el hermano
robusto del electrón. Es tan masivo que tarda menos de la billonesima de un segundo en desintegrarse,
por ejemplo, en neutrinos y un electrón. Cuidado, esto no quiere decir que el tau esté
formado de electrones y neutrinos; por lo que sabemos, no está formado por nada. Que
de lugar a estos tiene que ver con cómo distintos campos interactúan entre ellos. Cosas muy
complicadas; para otro dia.
Entonces, si desaparecen tan tan rápido, ¿cómo podemos estudiarlas? ¿cómo podemos
encontrarlas antes de que se desvanezcan? Respuesta rápida: creándolas.
Como comenté en mi otro vídeo sobre el LHC, la investigación en física de partículas
funciona casi siempre así: haz que dos cosas que conocemos se golpeen a una energía brutal,
y una partícula nueva emergerá del vacío. Este es el propósito del LHC: el Gran Colisionador
de Hadrones. El acelerador circular más grande que existe, capaz de impulsar grupos de protones
bien calibrados y forzar que choquen donde queramos, el lugar dónde esperamos que una
partícula distinta aparezca. Pero, ojo, el LHC no es exactamente un experimento.
Más bien es una herramienta, es la máquina que produce las partículas. Luego tiene que
haber otras máquinas que las detecten correctamente: estos son los detectores o experimentos adyacentes
al LHC.
Los cuatro detectores más importantes del LHC son: primero, ALICE, que mide el resultado
de no colisiones entre protones, sino colisiones entre núcleos de plomo. Al chocar y fusionarse
estos núcleos se cree que se puede crear temporalmente un estado extremo de la materia
llamado el plasma de quark y gluones. Estudiando este estado podremos saber cosas sobre el
universo primitivo… incluso palpar unas conexiones con teoría de cuerdas.
Por otro lado tenemos el LHCb, que estudia las propiedades del quark bottom. De hecho,
la “b” proviene de beauty, el nombre antiguo de este quark. El lhcb busca responder al
misterio sobre la asimetría materia-antimateria, o en otras palabras, donde se ha ido la antimateria
que se generó en el big bang Por último tenemos a ATLAS y a CMS, dos detectores
multipropósito; a la caza de cualquier nueva partícula que emerja en su interior de las
colisiones protón contra protón.
Y es CMS el detector que vamos a analizar...
Pongámonos en situación: dentro de este barril va a producirse esta partícula nueva.
Rápidamente, la partícula decaerá en otras que saldrán disparadas en distintas direcciones.
Lo que CMS y los otros detectores hacen es identificar qué partículas lo están atravesando
y cómo. Vamos al detalle:
CMS, groso modo, está formado por cuatro capas de detectores y un solenoide que produce
un campo magnético potentísimo. Cada capa está especializada en detectar y estudiar
las propiedades de un tipo diferente de partícula Primero tenemos la cámara de trazas. Esta
capa reconstruye la trayectoria que ha seguido una partícula cargada eléctricamente. Debido
al campo magnético, su camino se curva y de esta curvatura podemos sacar dos cosas:
la carga de la partícula y la energía que tiene.
Le siguen el calorímetro electromagnético y el calorímetro hadrónico. Si la partícula
es un electrón, un positrón o un fotón depositará energía en el primero, si es
un bicho formado por quarks la depositará en el segundo. Viendo que calorímetro se
ha activado puedes saber qué partícula acaba de atravesar: por ejemplo un electrón sólo
activaría el electromagnético, mientras que un neutrón solo activaría el hadrónico.
Un fotón también solo activa el electromagnético, pero como no deja señal en la cámara de
trazas, sabemos que se trata de él. En cualquier caso, sumando lo depositado en ambos calorímetros
puedes volver a medir la energía, afinando tus datos… Y si sabes la energía de estas
partículas puedes reconstruir la masa de la que se desintegró.
Nos falta la capa más grande de todas, el detector de muones. El muón es otro de los
hermanos del electrón; la cosa es que atraviesa todos los calorímetros sin dejar rastro luego
hay que construirle un capa especial. Om, y luego están los neutrinos: estos gamberros
son prácticamente imposibles de detectar, así que hay que usar la vía indirecta. Cómo
la colisión produce la partícula inicial quieta, con momento igual a cero, la suma
del momento de todas las partículas en las que se desintegra tiene que anularse. Incluso
aquí, el momento tiene que conservarse. Si el detector nos dice que no se conserva, que
hay momento perdido, suponemos que hay neutrino que se ha llevado ese momento y que el detector
no lo ha captado. En resumen: una partícula, potencialmente
desconocida, se desintegra en otras. Con el detector identificamos que partículas son
estas y cómo se mueven. Poniendo toda la información junta, podemos reconstruir la
partícula original: su masa, su carga, incluso estimar otras propiedades.
En resumen, para detectar una partícula necesitas: un colisionador capaz de traer a la vida tal
partícula y un detector capaz de identificar en lo que se descompone. El resto es reconstruir.
¡Uo, uo! ¡Para ahí, Crespo! Que en la práctica la cosa no es tan sencilla: para que los físicos
puedan decir que han encontrado al Bosón de Higgs no basta con pillar un solo Higgs
desintegrándose… Necesitas verlo millones de veces. Pero el por qué es el algo que
veremos en mi vídeo, ¡pásense por Date un Vlog y les explico cómo fue descubrir
el bosón de Higgs! ¡Les espero! ¡Y muchas gracias por vernos!
