Diez años después del Higgs, los físicos son optimistas por más descubrimientos
Imagina que acabas de llegar a un planeta de otro sistema solar. De repente, cinco minutos después de aterrizar, ves una forma de vida extraterrestre. ¡Este es un descubrimiento asombroso! Es posible que pases décadas intentando comprender este ser exótico, investigando sus propiedades e investigando cómo llegó allí. Al mismo tiempo, se espera que haya otras criaturas fascinantes alrededor, tal vez incluso más intrigantes que la primera y posiblemente mucho más difíciles de vislumbrar.
Esto es lo que sienten los físicos de partículas cuando comenzamos una nueva fase, llamada Run 3, en el acelerador de partículas más poderoso del mundo: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, cerca de Ginebra. Este mes se cumple el décimo aniversario del descubrimiento del bosón de Higgs, una partícula largamente buscada y predicha casi 50 años antes. El LHC fue construido para encontrar el bosón de Higgs y lo hizo. Su próximo objetivo es encontrar pistas que nos ayuden a descifrar otros misterios sin resolver. Aunque la máquina aún no ha descubierto otras partículas fundamentales novedosas (especialmente las esperadas partículas supersimétricas que las teorías populares predijeron y que pueden seguir existiendo) desde el bosón de Higgs, el futuro en el LHC es prometedor. Tenemos muchos caminos nuevos que explorar y muchos motivos para ser optimistas.
El descubrimiento del bosón de Higgs, que se produjo apenas cuatro años después de la inauguración del LHC, fue un golpe de suerte: podría haber tardado mucho más en detectar la partícula, o tal vez nunca la hubiésemos encontrado. Es posible que la masa de la partícula no haya estado en el rango accesible en el colisionador, o que no haya interactuado lo suficiente con otras partículas como para producirse en las colisiones del LHC. Puede que ni siquiera hubiera existido. Y la naturaleza fue aún más amable: por razones que aún no comprendemos, dispuso que la masa del bosón de Higgs fuera 125 veces la masa de un protón, un valor que hace que el Higgs se desintegre en muchas de las partículas que conocemos en tiempos similares. tasas.* Esta propiedad hace que sea conveniente explorar cómo el bosón de Higgs se comunica con estas otras partículas y abre muchas oportunidades para buscar lo inesperado.
El bosón de Higgs era la pieza restante del modelo estándar de física de partículas, nuestra principal teoría de las propiedades e interacciones entre los fragmentos fundamentales de la naturaleza. Sin embargo, gran parte de la física de partículas no encaja en este modelo. El estado actual de nuestro campo se siente como intentar comprender la ciencia de la cocina cuando todo lo que se tiene es una buena comprensión de la teoría de cómo hierve el agua. El Modelo Estándar guarda silencio sobre la materia oscura e incluso sobre la fuerza de gravedad. Los neutrinos están ahí, pero se desconoce el paradero de sus diminutas masas. La materia ordinaria está ahí, pero no se explica cómo prevaleció sobre la antimateria después del Big Bang. El bosón de Higgs está ahí, pero sin ningún intento de explicar por qué el campo de energía invisible de Higgs se activó en el universo primitivo para dar masa a otras partículas, o por qué sus masas son tan diferentes como las de una hormiga y una ballena, o por qué el bosón de Higgs está ahí. se dio una masa que coloca al universo actual al borde de la inestabilidad cósmica.
El LHC fue diseñado como una máquina de descubrimiento para ayudarnos a responder estas preguntas y, afortunadamente para nosotros, tiene otros 20 años en el horizonte antes de que se apague. Los detectores emblemáticos del colisionador (ATLAS y CMS) se han convertido en experimentos bastante diferentes en el experimento 3 de lo que eran hace 10 años. Ambos han recibido tecnologías mejoradas y una nueva generación de científicos talentosos está buscando ideas novedosas sobre cómo vislumbrar lo que puede haber ahí fuera. En la ejecución 3, todos los experimentos del LHC se adentrarán en territorios previamente inexplorados en múltiples frentes. Estoy temblando de emoción por lo que puede venir.
Ya hemos podido producir muchos miles de bosones de Higgs en el LHC y ahora estamos trabajando para detectar formas más raras mediante las cuales se puede producir la partícula y luego descomponerse en otras partículas. Hay muchas posibilidades de sorpresas, ya sea en mediciones de precisión que puedan mostrar que el Higgs se produce o desintegra de manera algo diferente a las predicciones de nuestro Modelo Estándar o mediante la observación de fenómenos exóticos relacionados con el Higgs. Por ejemplo, el bosón de Higgs podría desintegrarse en materia oscura, o las desintegraciones de Higgs podrían violar la simetría esperada entre materia y antimateria.
Hasta ahora sólo hemos visto colisiones que producen un solo bosón de Higgs a la vez. Pero pensamos que también debería ser posible producir dos bosones de Higgs en una sola colisión. Esta producción de “di-Higgs” nos daría una ventana directa a cómo se activó el campo de energía de Higgs después del big bang porque es una medida directa de la fuerza con la que el bosón de Higgs, y por tanto el campo de energía de Higgs, interactúa consigo mismo. El modelo estándar predice que las colisiones que produzcan dos bosones de Higgs se producirán a un ritmo finito pero pequeño, lo que sugiere que este proceso será detectable cerca del final de la vida útil del LHC. Se trata de una perspectiva apasionante, pero tampoco hay ninguna razón convincente para creer en los detalles de esta predicción: el modelo estándar no pretende conocer los orígenes del bosón de Higgs ni comprender los mecanismos del campo invisible de Higgs en el universo primitivo. Una señal de di-Higgs podría verse antes, durante la ejecución 3, tal vez inducida por nuevas partículas que mejoran el proceso.
Menos de una colisión del LHC entre mil millones produce un bosón de Higgs, por lo que el descubrimiento inicial fue como encontrar una aguja en un pajar muy grande. Hoy en día, los teóricos han propuesto muchas posibilidades para otras partículas alienígenas que eventualmente podrían aparecer en nuestros detectores. Pero el desafío ahora es similar a buscar algo en un pajar cuando ni siquiera sabes si estás buscando una aguja o algún otro objeto.
Abundan otras nuevas oportunidades. Hace diez años, la mayoría de los físicos habrían descartado la idea, si alguien hubiera estado lo suficientemente loco como para sugerirla, de que pudiéramos conectar una red neuronal a un detector del LHC para analizar sus hallazgos. Hoy, gracias a las innovaciones desarrolladas por un brillante grupo de mis colegas jóvenes y socios de la industria deseosos de traspasar los límites de la inteligencia artificial, una red analiza 40 millones de colisiones del LHC por segundo para decidir qué parece lo suficientemente interesante como para registrarlo para su posterior estudio por parte de humanos. .
Cuando ves fotografías de los colosales detectores ATLAS y CMS, la mayor parte del volumen de los detectores que estás mirando es su parte exterior, que fue diseñada para detectar y medir un tipo especial de partícula llamada muón, un primo del electrón que es A menudo se produce cuando las partículas se desintegran, incluido el bosón de Higgs. Los muones penetran la materia más fácilmente que otras partículas que se detienen y miden en las partes internas de los detectores. Tan solo en los últimos dos años, los innovadores de CMS y ATLAS se han dado cuenta de que pueden reutilizar los detectores externos para posibles descubrimientos que de otro modo se pasarían por alto. Muchos modelos que intentan explicar la materia oscura proponen la existencia de partículas exóticas de larga vida que pueden penetrar a través de los detectores internos y llegar a los detectores externos antes de descomponerse en partículas estándar. Este escenario produciría una señal de descubrimiento que podría ser relativamente fácil de ver, pero sólo si supieras buscarla.
Diez años después del descubrimiento del bosón de Higgs, el campo de la física de partículas está floreciendo con nuevas ideas destinadas a arrojar luz sobre profundos misterios. El Gran Colisionador de Hadrones está iniciando un nuevo capítulo en su vida, con haces de partículas más potentes, capacidades de detección mejoradas y técnicas más sofisticadas para permitir el descubrimiento. Tanto los experimentalistas como los teóricos están ampliando las fronteras de su ingenio en este emocionante viaje de exploración.
