Vuelve el Gran Colisionador. ¿Qué partículas encontraremos ahora?


boson

El Gran Colisionador de Hadrones ha vuelto a funcionar. Tras dos años de renovaciones, los protones ya giran alrededor del gigantesco anillo subterráneo de 27 kilómetros.

Allí descubrimos el bosón de Higgs. Esta vez va a ser aún más interesante. El primer objetivo era encontrar el Higgs: estábamos casi seguros que debía estar ahí y felizmente apareció. Ahora no estamos demasiado seguros de qué será lo que encontraremos!

Bueno, pero ¿tenemos alguna idea de las partículas que podrían aparecer?

Sí, tenemos algunas hipótesis, pero antes de responder a esta pregunta, permitidme un pequeño recordatorio de cómo funciona el acelerador y qué ha cambiado desde la última vez.

¿Cómo funciona el Gran Colisionador de Hadrones?

El funcionamiento básico del LHC es muy sencillo:

1) Los protones dan vueltas por el túnel circular de 27 km. Algunos protones van en un sentido y el resto en el sentido contrario.

2) Aceleras los protones hasta casi la velocidad de la luz [hasta el 99,9999991% de la velocidad de la luz]

3) Los protones, que viajan en direcciones opuestas, chocan, se desintegran y crean nuevas partículas. [Dicho en palabras de Albert Einstein, la energía de la colisión se convierte en masa de nuevas partículas porque E=mc2].

4) En los lugares del anillo donde se chocan los protones colocas detectores para intentar “ver” las nuevas partículas que se han formado. [En el Colisionador hay 4 detectores que se llaman ATLAS, CMS, LHCb y ALICE].

Vale, ¿y qué ha cambiado en el Colisionador desde que descubrimos el bosón de Higgs?

Las renovaciones de los últimos dos años han servido para aumentar la energía a la que chocan los protones.

Para acelerar los protones hasta casi la velocidad de la luz necesitas un campo magnético tremendo. Cuanto más fuerte sea el campo magnético, más rápido circularán los protones y más energía habrá en los choques.

Para que os hagáis una idea de la dificultad técnica: el Colisionador es uno de los lugares más fríos de nuestra Galaxia. Los electroimanes necesitan ser enfriados a -271 C, una temperatura aún más baja que la del espacio interestelar.

Con las mejoras que se han hecho, el campo magnético creado dentro del acelerador es más potente: los protones chocarán con más fuerza.

OK, ya entiendo más o menos cómo funciona el acelerador. Pero entonces, ¿tenemos alguna idea de qué nuevas partículas podríamos encontrar?

Bueno, tenemos algunas hipótesis. Algunas se remontan a los años 70, pero no estamos seguros de que sean correctas.

1) Partículas supersimétricas

Hasta ahora, nuestro conocimiento sobre las partículas fundamentales que componen la materia está encapsulada en una teoría llamada “el Modelo Estándar”.

El Modelo Estándar es una teoría que funciona muy bien, pero contiene algunas “fisuras” con los que los físicos no estamos demasiado a gusto. [Por ejemplo la masa concreta del bosón de Higgs o la conexión entre fermiones y bosones].

Para solucionar estos problemas, los físicos teóricos desarrollaron desde los años 70 una teoría que se conoce como “Supersimetría”.

La Supersimetría predice que cada partícula fundamental tiene una compañera. A esa compañera se le llama “compañera supersimétrica”. Por ejemplo: además del fotón también existiría el “fotino” o además del Higgs también existiría el “Higgsino”.

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Si la teoría de la Supersimetría es correcta, creemos que estas partículas deberían aparecer en el Colisionador.

2) Extradimensiones y mini-agujeros negros

Vivimos en un mundo de 4 dimensiones: las 3 dimensiones del espacio y la dimensión del tiempo.

Pero, ¿y si existiesen otras dimensiones tan pequeñas que no podemos ver?

Puede parecer ciencia ficción, pero estas dimensiones “extra” nos podrían ayudar a comprender cosas que todavía no entendemos. [Por ejemplo: porqué la gravedad es una fuerza tan débil o porqué el Universo se expande tan rápido].

Si estas dimensiones existen, podrían manifestarse en el Colisionador de varias maneras. Una primera forma sería encontrando nuevas partículas. [Por ejemplo versiones masivas de los botones Z y W].

Otra forma posible sería la creación de mini-agujeros negros. ¡No preocuparse! Además de ser minúsculos, estos agujeros sólo existirían durante 0,000000000000000000000000001 segundos. [Son 26 ceros, espero no haberme equivocado].

Esos mini-agujeros negros se desintegrarían antes de que pudiésemos detectarlos, pero dejarían una “huella” que podrían captar los detectores.

3) Materia oscura

Además de la “materia normal”, sabemos que en el Universo hay “materia oscura”. De hecho, sabemos que en el Universo hay bastante más “materia oscura” que “materia normal”.

El problema es que nunca la hemos detectado. Tampoco tenemos ni idea de qué está formada.

Espera, ¿entonces cómo sabemos que existe si nunca la hemos detectado? Porque de lo contrario las galaxias no podrían girar como giran.

Dicho de otra manera: NO podemos “ver directamente” la materia oscura pero SÍ podemos “ver los efectos” que produce la materia oscura en la materia normal.

Algunas teorías dicen que la materia oscura podría estar relacionada con las partículas supersimétricas de las que hemos hablado antes y que podríamos detectar.

4) Que encontremos algo que no nos esperábamos

Esta sería en mi opinión la alternativa más divertida: que encontremos algo completamente diferente a lo que nos esperábamos.

Eso sí, a los físicos que han dedicado sus carreras a la teoría supersimétrica creo que no les haría demasiada gracia.

¿Qué es la Materia Oscura? ¿Acabamos de detectarla por primera vez?


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La “materia oscura” constituye el 85% de toda la materia de nuestro Universo. Sin embargo, aunque sabemos que existe, hasta ahora no habíamos podido detectarla.

Comprender la naturaleza de la materia oscura constituye uno de los grandes “problemas sin resolver” de la Física.

En un artículo científico que se publica hoy en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, un equipo de astrónomos anuncia lo que podría ser la primera detección de materia oscura.

(Nota: no confundir “materia oscura” con “energía oscura” ni con “anti-materia”. Son tres conceptos diferentes. En este post sólo hablamos de “materia oscura”).

¿Por qué es tan difícil observar la materia oscura?

La materia oscura no emite ni absorbe luz, por lo tanto, es imposible verla. (Y de ahí lo de “oscura”).

¿Cómo sabemos que la materia oscura existe si no podemos verla?

Aunque no podamos verla, sabemos que la materia oscura existe por los efectos que provoca. La materia oscura ejerce atracción gravitatoria sobre la materia que sí podemos ver.

Por ejemplo: las galaxias en espiral giran más rápido de lo que deberían si la única materia que existiese en ellas fuese la materia de sus estrellas.

Existen varias otras evidencias de que la materia oscura existe: lentes gravitacionales, ciertas fluctuaciones en el Fondo Cósmico de Microondas, etc.

¿De qué está compuesta la materia oscura?

La materia “visible”, es decir, la materia que vemos a nuestro alrededor está formada por átomos (protones y neutrones).

Todavía no sabemos qué compone la materia oscura, pero la evidencia parece indicar que NO está formada por protones y neutrones sino por algún tipo diferente de partículas.

Existen diferentes propuestas teóricas sobre las partículas que componen la materia oscura: las más conocidas son los llamados “axiones” y las “partículas supersimétricas”.

Al principio del post decíamos que hoy anuncia la posible primera detección de materia oscura. ¿En qué consiste el experimento?

El astrónomo George Fraser y su equipo estaban estudiando los rayos X que provienen del Sol y detectaron ligeras variaciones en la cantidad de esta radiación según la posición del telescopio.

Ningún fenómeno conocido parece explicar esas variaciones y Fraser ha propuesto que quizás se deben a unas partículas de materia oscura conocidas como “axiones”.

Los axiones se producirían en el Sol, viajarían por el espacio hasta chocar con el campo magnético terrestre cuando se convertirían en rayos X.

¿Este resultado es definitivo?

No, todavía hay que realizar muchos más análisis para confirmar que las variaciones de rayos X corresponden a partículas de materia oscura.

Como con cualquier otro descubrimiento científico, serán necesarios otros experimentos independientes para que podamos asegurar que George Fraser y su equipo fueron los primeros en detectar materia oscura.

Para los que queráis más detalles, en este enlace podéis leer el estudio original (67 páginas).