¿Cómo descubrimos nueva física en el LHC?

Volvemos a la física de partículas hablando en esta ocasión sobre cómo identificamos una señal en el Gran Colisionador de Hadrones, el famoso LHC en Ginebra. Veremos que no es nada sencillo…

Cuando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) arrancó allá por el año 2008 las expectativas eran muy altas. Este colosal instrumento científico era sin duda la mayor apuesta de la comunidad internacional de física de partículas, con miles de científicos involucrados en las distintas partes del experimento. Tras un periodo inicial de ajustes y puestas a punto, los primeros datos de relevancia científica fueron recogiéndose, mostrando que la máquina funcionaba perfectamente. Finalmente, el esfuerzo de tantos años de trabajo dio sus frutos con el ansiado descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, considerado de forma unánime como uno de los hitos científicos más importantes de lo que llevamos de siglo XXI.

El LHC consiste en un anillo de 27 kilómetros de longitud. En ocasiones, el personal que trabaja en el interior del túnel por el que discurre este enorme colisionador necesita desplazarse en bicicleta para llegar a alguno de los puntos de su recorrido

Sin embargo, y pese a la magnitud de este espectacular descubrimiento, muchos físicos teóricos todavía esperan algo más, alguna sorpresa con la que no contemos. Al fin y al cabo, el bosón de Higgs era un invitado esperado. Sin él, el Modelo Estándar, el marco teórico actualmente considerado como nuestra mejor descripción de las propiedades de las partículas fundamentales existentes, carecería de sentido. Ahora bien, no nos podemos conformar con haber encontrado la última pieza del Modelo Estándar ya que, y en esto existe un consenso absoluto, el Modelo Estándar no puede ser la teoría última. Existen diversas indicaciones que apuntan a la posible existencia de nuevas partículas e interacciones no presentes en el Modelo Estándar. Dejando al margen razones tan sólidas como la masa de los neutrinos y la materia oscura, contamos también con numerosas ideas teóricas que predicen necesariamente la existencia de nuevas partículas e interacciones. ¿Cómo se manifestaría esta “nueva física” en el LHC?

El LHC es una máquina muy complicada pero su funcionamiento básico es bastante sencillo. Tras acelerar protones a velocidades cercanas a la de la luz, se les hace chocar en varios puntos fijos en los que previamente se han colocado gigantescos detectores, los cuales se encargan de registrar qué se produce en estas colisiones. Por ejemplo, es posible determinar experimentalmente cuántas veces se producen pares de fotones con una determinada energía. El objetivo es encontrar una discrepancia entre lo que el Modelo Estándar predice para estas cantidades y lo que observamos en el LHC. Cuando dicha discrepancia entre teoría y experimento se encuentra, decimos que hemos encontrado “nueva física”. Es posible que la desviación sea realmente pequeña, un único evento anómalo entre millones de eventos normales, pero es por esta aguja en el pajar por la que se construyó el LHC.

Con el objetivo de entender cómo funciona este procedimiento en la práctica consideremos un caso reciente. El 15 de diciembre de 2015, las colaboraciones ATLAS y CMS, los dos detectores de propósito general del LHC, anunciaron haber encontrado sendos excesos en sus búsquedas de eventos con dos fotones. Allá donde el Modelo Estándar predice un número determinado de eventos, tanto ATLAS como CMS observaban un número ligeramente superior. Especialmente sugerente era que estos resultados habían sido obtenidos de forma independiente por las dos colaboraciones y que ambos mostraban el exceso en eventos con pares de fotones cuya energía se encontraba en torno a los 750 GeV. La interpretación inmediata de este hallazgo sería la existencia de una nueva partícula, desconocida hasta la fecha, con una masa de unos 750 GeV y que se desintegra dando lugar a un par de fotones. Esta partícula sería la primera indicación directa de la existencia de nueva física más allá del Modelo Estándar, lo cual podría conducir a un nuevo paradigma en el mundo de las partículas fundamentales. Ante un escenario tan emocionante, la reacción no se podía hacer esperar. Al día siguiente del anuncio por parte de ATLAS y CMS, numerosos artículos teóricos con nuevas propuestas e ideas inundaban ya la red. En pocos días, los artículos ya se contaban por decenas y medio año después del anuncio había casi 400 artículos escritos sobre el exceso y su posible interpretación. Tan explosiva fue la proliferación de artículos teóricos que la prestigiosa revista Nature le dedicó un editorial en la que analizaba el impacto social, no siempre positivo, que este fenómeno había tenido en la comunidad.

Resultados de la colaboración ATLAS presentados en diciembre de 2015. La parte superior de la gráfica muestra la predicción del Modelo Estándar (la línea roja) así como los datos obtenidos en el experimento (los puntos negros). Se aprecia claramente como alrededor de una energía cercana a los 750 GeV los datos muestran un exceso notable por encima de la predicción de la teoría. Crédito: ATLAS collaboration

No obstante, al publicar estos datos, tanto ATLAS como CMS insistieron en que era demasiado pronto como para echar las campanas al vuelo y proclamar la existencia de la tan ansiada nueva física. Y esto se debe a que, en cierto modo, el funcionamiento del LHC es similar al lanzamiento de una moneda. Si lanzamos una moneda un número suficientemente elevado de veces, veremos que cada una de las dos opciones, cara y cruz, sale aproximadamente la mitad de las ocasiones. Sin embargo, cuando el número de lanzamientos es pequeño, es posible que encontremos que una de las opciones sale notablemente más que la otra. Los físicos llaman a esas coincidencias “fluctuaciones”. Es necesario acumular más y más eventos para ver si esos excesos son reales o si finalmente tienden a desaparecer. En el caso de la moneda, si la lanzamos sólo cinco veces es posible que salgan cuatro caras, pero si la lanzamos quinientas veces y nos salen cuatrocientas caras sin duda empezaremos a pensar que la moneda está trucada. Lo mismo sucede en el LHC. Aunque era realmente llamativo que los excesos encontrados en ambos detectores coincidieran en la misma región de energías, los famosos 750 GeV, el pequeño número de eventos que se manejaba en ese momento impedía descartar que se tratara de una fluctuación.

Y efectivamente… resultó ser una fluctuación. El LHC continuó operando, repitiendo las colisiones una y otra vez, por lo que pronto contó con un número suficiente de eventos como para saber si la desviación era real o no. Con la comunidad de física de partículas expectante, las colaboraciones ATLAS y CMS presentaron nuevos resultados en la conferencia ICHEP, celebrada en Chicago (Estados Unidos) en agosto de 2016. Estos resultados contenían muchos más eventos que los presentados en diciembre del año pasado por lo que era de esperar que si el exceso observado por ambas colaboraciones era una desafortunada fluctuación, su tamaño se reduciría sustancialmente, llegando incluso a desaparecer completamente. Y para decepción de muchos, la adición de nuevos datos provocó que el exceso se desvaneciera.

Ahora bien, no todas los excesos acaban así. De hecho, ¡algunos acaban convirtiéndose en un descubrimiento! Por ejemplo, el hallazgo del bosón de Higgs se realizó precisamente de este modo, buscando eventos con parejas de fotones y encontrando más de los esperados con energías alrededor de los 125 GeV. Lo que empezó como un pequeño exceso se acabó convirtiendo en el descubrimiento más importante en décadas. La acumulación de nuevos datos sirvió en este caso para reforzar la señal, no para hacerla desaparecer, haciendo que eventualmente se descartara que fuera una fluctuación.

En esta animación, creada usando datos reales obtenidos por la colaboración ATLAS, podemos ver como la acumulación sucesiva de nuevos datos acaba dando lugar a la aparición de una cierta “barriga” cerca de los 125 GeV, claramente por encima de la predicción esperada. Este exceso es precisamente la huella dejada por el bosón de Higgs, que fue descubierto de este modo.

Finalmente, no olvidemos que la búsqueda de la nueva física sigue en pie. El LHC seguirá explorando una escala de energías que solamente hemos empezado a arañar, en busca de nuevos fenómenos no predichos por el Modelo Estándar. Quién sabe, tal vez pronto nos sorprenda con otro exceso que no desaparezca, una nueva partícula que nos permita dar otro paso en nuestra comprensión del mundo microscópico.

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Autor: Avelino Vicente

Avelino Vicente consiguió su doctorado en Física por la Universidad de Valencia en 2011. Tras varias estancias postdoctorales en el extranjero, actualmente es investigador Juan de la Cierva en el IFIC, desde donde se pregunta qué hay más allá del Modelo Estándar, estudiando problemas especialmente relacionados con la física del sabor y de neutrinos.

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