Archivo de mayo, 2016

Tras los pasos de un sospechoso. ¿Se ha encontrado una nueva partícula en el LHC?

Por Víctor Martín Lozano  (Investigador Predoctoral en el IFT UAM-CSIC)

La luz está compuesta de fotones. Gracias a ellos podemos ver diferentes objetos a nuestro alrededor. De igual manera los detectores de los aceleradores pueden ver partículas gracias a dichos fotones. En este caso en lugar de ser los ojos los que ven son los calorímetros situados en los detectores los que hacen esa función. Estos son capaces de medir con precisión la energía y la dirección de las partículas resultantes de la colisión. Gracias a ello los físicos experimentales son capaces de distinguir todas aquellas partículas que se desintegran en fotones.

Cuando en 2012 se anunció el descubrimiento del bosón de Higgs uno de los canales o modos de desintegración donde mejor se veía a esta partícula fue la desintegración emitiendo dos fotones. Esto es debido a que dentro del modelo estándar de las interacciones fundamentales conocemos muy bien las fuentes que pueden dar como resultado final un par fotones. Esto hace que cualquier partícula que no pertenezca a las ya conocidas y que se desintegre de esta manera podría ser identificada con facilidad por los físicos experimentales.

Gráfico con los datos del experimento ATLAS. Los puntos negros representan los datos experimentales, mientras que la línea roja es la predicción del modelo estándar. Se puede observar que alrededor de 750 GeV hay un pequeño exceso comparado con lo predicho por la teoría.

El LHC después de haber funcionado a una energía de 8 Teraelectronvoltios (TeV), una unidad de energía que utilizamos en física de partículas (para dar una idea de su magnitud, 1 TeV equivale aproximadamente a la energía acumulada en la masa en reposo de 1000 protones), y tras haber descubierto el bosón de Higgs, reanudó las colisiones de protones a una energía superior, a 13 TeV. Con esta nueva configuración se espera poder explorar energías más altas y de haber nuevas partículas más pesadas descubrirlas. En Diciembre de 2015, a pesar de haber recogido pocos datos a esta nueva energía, los dos experimentos principales del LHC, ATLAS y CMS, presentaron resultados de aquellas colisiones. Todas las búsquedas hechas llegaban a la misma conclusión, el LHC estaba funcionando muy bien pero habría que esperar a tener más colisiones para poder saber si había algo novedoso puesto que todo parecía concordar con lo que teníamos anteriormente. Sin embargo, ambos experimentos recibieron especial atención cuando presentaron los resultados con búsqueda a dos fotones como estado final. ¿La razón? Parecía que ambas colaboraciones experimentales observaban que a una energía de unos 750 GeV (o 0,75 TeV) se medía un exceso de eventos respecto de la predicción del modelo estándar. Este exceso de eventos se explicaría postulando la existencia de una partícula de dicha masa que se desintegra en dos fotones. Sin embargo esto abría nuevos interrogantes, ¿realmente se ha descubierto una partícula?, ¿esta partícula no se ve en otros canales de desintegración?, ¿no se debería haber visto esta partícula cuando el LHC funcionaba a menor energía?, si existe tal partícula ¿dónde encaja esta partícula dentro de la física teórica?

Para responder a la primera pregunta hay que echar mano de la estadística. En física de partículas se dice que hay un descubrimiento cuando se dan unas condiciones estadísticas adecuadas. La principal condición es estar seguro con una probabilidad del 99,99994% (esto significa equivocarnos en una sobre 3.500.000) de que lo que hemos visto es algo nuevo y no una fluctuación estadística de los datos. El exceso encontrado en Diciembre solo aseguraba que fuese una partícula al 99,73%, así que estrictamente no se puede decir que se haya encontrado una partícula, sino que tenemos indicios de ello. Para poder llegar a un nivel de confianza mayor hay que esperar a los datos venideros para acumular más estadística.

Uno puede también intentar buscar otros canales de desintegración para tener más pistas sobre ella pero, ¿cómo podemos inferir nuevos canales de desintegración si no conocemos nada acerca de esta nueva partícula? La respuesta está en el canal en el que hemos visto el indicio, los dos fotones. A muy alta energía los fotones y los bosones Z de las interacciones débiles se comportan de manera muy parecida y son casi indistiguibles, por ello a baja energía cualquier partícula que se desintegre en dos fotones deberá desintegrarse también en dos bosones Z y en el canal con un bosón Z y un fotón. Así pues, lo más indicado en el futuro será mirar también en estos nuevos canales para poder así descartar o descubrir esta posible partícula. Aparte de estos, podrían existir diferentes canales de desintegración en los que encontrar la partícula.

Posible diagrama de la producción y posterior desintegración de la posible partícula. La producción sería a través de gluones y la desintegración a dos fotones.

 

Sabiendo los diferentes canales de desintegración posibles uno puede ir a los datos del LHC cuando tenía una energía de 8 TeV y mirar si había algún exceso para una masa de 750 GeV. Lo que han encontrado los físicos es que no hay tal exceso con una seguridad importante estadísticamente hablando, sin embargo lo que sí han observado es que los datos encontrados para una energía de 8 TeV son compatibles con los de energías de 13 TeV siempre que se suponga que la posible partícula haya sido producida por gluones. Los gluones son algo así como los fotones de la fuerza fuerte, los encargados de que los quarks estén dentro de un protón sin que se rompa. Otros modos de producción, como a través de quarks o de fotones son también posibles, sin embargo están menos favorecidos por los datos.

Una vez que se unen todos los ingredientes de la posible partícula: cómo se puede crear en el LHC, cuáles son sus canales de desintegración, cuál es su masa, etc, los físicos teóricos pueden especular sobre qué modelos teóricos podrían explicar dicha resonancia. Desde el anuncio del exceso en Diciembre se han escrito 379¹ artículos científicos (a fecha de 06/05/2016) por lo que parece que existen muchas explicaciones para esta partícula. Los modelos utilizados para explicar esta partículas son diversos y diferentes entre sí, los más utilizados son aquellos de teorías efectivas, aunque también los hay que provienen de nuevas simetrías, teoría de cuerdas, supersimetría e incluso algunos se atreven a conectar dicha partícula con el sector de materia oscura.

Todavía es pronto para poder anunciar el descubrimiento de una nueva partícula, sin embargo se pueden ir sacando propiedades de dicha resonancia en el caso de que esté ahí. Para poder estar seguros tendremos que esperar a la toma de más datos y a su posterior anuncio en las conferencias de verano. Si de verdad existe tal partícula podremos conocer más acerca de ella debido a que se habrán explorado otros canales de desintegración que nos harán situar mejor su contexto. Si, por el contrario, no existe tal resonancia y se trata de una fluctuación estadística, la ilusión por encontrar nueva física habrá sido temporal y no podremos sino sentirnos como Segismundo de Calderón en “La vida es sueño”.

———-
¹ Cantidad estimada por @DrAndreDavid a fecha de 06/05/2016.

 

 

Etiquetas:
Categorias: Sin categoría

El Universo teórico

El reportaje dedicado al Instituto de Física Teórica IFT UAM-CSIC se emitió el día 3 de Mayo a las 16h, y la noche del domingo a las 1h30 en el programa “Lab24″ del Canal 24h.

Ver vídeo: aquí

Etiquetas:
Categorias: Sin categoría