En un evento simulado, el rastro de una partícula de desintegración llamada muón (rojo), desplazada ligeramente del centro de las colisiones de partículas, podría ser una señal de nueva física.
EXPERIMENTO ATLAS © 2019 CERN
¿Se están materializando nuevas partículas delante de las narices de los físicos y pasan desapercibidas? El gran triturador de átomos del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), podría estar fabricando partículas de larga duración que se cuelan en sus detectores, según afirman algunos investigadores. La próxima semana se reunirán en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas situado cerca de Ginebra (Suiza), para debatir cómo capturarlas. Sostienen que el próximo funcionamiento del LHC debería hacer hincapié en estas búsquedas, y algunos piden nuevos detectores que puedan olfatear las partículas fugitivas.
Es un impulso nacido de la ansiedad. En 2012, los experimentadores del LHC, de 5.000 millones de dólares, descubrieron el bosón de Higgs, la última partícula predicha por el modelo estándar de partículas y fuerzas, y la clave para explicar cómo obtienen sus masas las partículas fundamentales. Pero el LHC aún no ha descubierto nada más allá del modelo estándar. «No hemos encontrado ninguna física nueva con los supuestos con los que empezamos, así que tal vez tengamos que cambiar los supuestos», dice Juliette Alimena, una física de la Universidad Estatal de Ohio en Columbus que trabaja con el Solenoide Compacto de Muones (CMS), uno de los dos principales detectores de partículas alimentados por el LHC.
Durante décadas, los físicos han confiado en una estrategia simple para buscar nuevas partículas: Aplastar protones o electrones a energías cada vez más altas para producir nuevas partículas pesadas y observar cómo se descomponen instantáneamente en partículas más ligeras y conocidas dentro de los enormes detectores con forma de barril. Así es como el CMS y su detector rival, el Aparato Toroidal del LHC (ATLAS), detectaron el bosón de Higgs, que en una trillonésima de nanosegundo puede decaer, entre otras cosas, en un par de fotones o en dos «chorros» de partículas más ligeras.
Las partículas de larga vida, sin embargo, atravesarían parte o la totalidad del detector antes de decaer. Esta idea es algo más que un tiro en la oscuridad, dice Giovanna Cottin, teórica de la Universidad Nacional de Taiwán en Taipei. «Casi todos los marcos de la física más allá del modelo estándar predicen la existencia de partículas de larga vida», afirma. Por ejemplo, un esquema llamado supersimetría postula que cada partícula del modelo estándar tiene una superpareja más pesada, algunas de las cuales podrían ser de larga vida. Las partículas de larga duración también surgen en las teorías del «sector oscuro», que prevén partículas indetectables que interactúan con la materia ordinaria sólo a través de partículas «de ojo de buey», como un fotón oscuro que de vez en cuando sustituiría a un fotón ordinario en una interacción de partículas.
CMS y ATLAS, sin embargo, fueron diseñados para detectar partículas que decaen instantáneamente. Como una cebolla, cada detector contiene capas de subsistemas -rastreadores que rastrean las partículas cargadas, calorímetros que miden las energías de las partículas y cámaras que detectan partículas penetrantes y particularmente prácticas llamadas muones-, todos ellos dispuestos alrededor de un punto central donde colisionan los haces de protones del acelerador. Las partículas que vuelan incluso unos pocos milímetros antes de decaer dejarían firmas inusuales: huellas torcidas o desplazadas, o chorros que surgen gradualmente en lugar de todos a la vez.
El análisis de datos estándar a menudo asume que tales rarezas son errores y basura, señala Tova Holmes, un miembro de ATLAS de la Universidad de Chicago en Illinois que está buscando las huellas desplazadas de decaimientos de partículas supersimétricas de larga duración. «Es un reto porque la forma en que hemos diseñado las cosas, y el software que la gente ha escrito, básicamente rechaza estas cosas», dice. Así que Holmes y sus colegas tuvieron que reescribir parte de ese software.
Más importante es asegurar que los detectores registren los eventos extraños en primer lugar. El LHC hace chocar racimos de protones 40 millones de veces por segundo. Para evitar la sobrecarga de datos, los sistemas de disparo de CMS y ATLAS separan las colisiones interesantes de las aburridas y descartan inmediatamente los datos de unas 19.999 de cada 20.000 colisiones. Esta selección puede desechar inadvertidamente partículas de larga vida. Alimena y sus colegas querían buscar partículas que vivieran lo suficiente como para quedarse atascadas en el calorímetro del CMS y desintegrarse más tarde. Así que tuvieron que poner un disparador especial que ocasionalmente lee todo el detector entre las colisiones de protones.
Las búsquedas de partículas de larga vida han sido esfuerzos marginales, dice James Beacham, un experimentador de ATLAS de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte. «Siempre ha habido un solo tipo trabajando en esta cosa», dice. «Su grupo de apoyo era usted en su oficina». Ahora, los investigadores están uniendo fuerzas. En marzo, 182 de ellos publicaron un libro blanco de 301 páginas sobre cómo optimizar sus búsquedas.
Algunos quieren que ATLAS y CMS dediquen más disparadores a las búsquedas de partículas de larga vida en la próxima corrida del LHC, de 2021 a 2023. De hecho, la próxima carrera «es probablemente nuestra última oportunidad de buscar eventos raros inusuales», dice Livia Soffi, miembro del CMS de la Universidad Sapienza de Roma. Después, una actualización aumentará la intensidad de los haces del LHC, lo que requerirá disparos más ajustados.
Otros han propuesto una media docena de nuevos detectores para buscar partículas tan longevas que escapen por completo a los detectores existentes del LHC. Jonathan Feng, un teórico de la Universidad de California en Irvine, y sus colegas han conseguido la aprobación del CERN para el Experimento de Búsqueda Avanzada (FASER), un pequeño rastreador que se colocará en un túnel de servicio a 480 metros de la línea del haz de ATLAS. Financiado con 2 millones de dólares de fundaciones privadas y construido con piezas prestadas, FASER buscará partículas de baja masa, como fotones oscuros, que podrían salir de ATLAS, atravesar la roca intermedia y decaer en pares de electrones y positrones.
Otra propuesta prevé una cámara de seguimiento en una sala vacía junto al LHCb, un detector más pequeño alimentado por el LHC. El Detector Compacto para Exóticos en el LHCb buscaría partículas de larga vida, especialmente las nacidas en las desintegraciones de Higgs, dice Vladimir Gligorov, un miembro del LHCb del Laboratorio de Física Nuclear y Altas Energías en París.
Incluso más ambicioso sería un detector llamado MATHUSLA, esencialmente un gran edificio vacío en la superficie sobre el detector subterráneo CMS. Unas cámaras de seguimiento en el techo detectarían los chorros que surgen de las desintegraciones de las partículas de larga vida creadas 70 metros más abajo, dice David Curtin, teórico de la Universidad de Toronto (Canadá) y codirector del proyecto. Curtin se muestra «optimista» de que MATHUSLA cueste menos de 100 millones de euros. «Dado que tiene sensibilidad a esta amplia gama de firmas -y que no hemos visto nada más- diría que es una obviedad».
Los físicos tienen el deber de buscar las partículas extrañas, dice Beacham. «El escenario de pesadilla es que, dentro de 20 años, Jill Theorist diga: ‘La razón por la que no habéis visto nada es que no habéis guardado los eventos correctos y no habéis hecho la búsqueda correcta'».
*Corrección, 23 de mayo, 12:25 p.m.: La historia ha sido actualizada para corregir las tasas a las que el LHC colisiona racimos de protones y los detectores registran los eventos, y para reflejar la afiliación correcta de James Beacham.