Cazadores de bosones: cómo los físicos del CERN buscan los eventos más raros del Universo

Los físicos de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) han presentado los resultados de experimentos para la búsqueda de "nueva física" en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Aunque aún no tenemos pruebas de fenómenos que vayan más allá del Modelo Estándar, los datos obtenidos ayudarán a planificar futuros experimentos después de la modernización de la instalación.

El LHC es un acelerador de partículas en forma de anillo de 27 kilómetros de longitud, situado a una profundidad de hasta 175 metros bajo tierra. Dentro del anillo, las partículas se aceleran casi a la velocidad de la luz y colisionan entre sí a una temperatura 100,000 veces mayor que la del núcleo del Sol.

El colisionador en Ginebra es uno de los proyectos científicos más ambiciosos en la historia de la humanidad. Más de 10,000 científicos de un centenar de países trabajaron durante diez años para construirlo. El costo total del proyecto superó los nueve mil millones de dólares, pero los gastos se justificaron con el trascendental descubrimiento del bosón de Higgs en 2012.

Para registrar las partículas generadas en las colisiones de protones se utilizan cuatro detectores gigantes: ATLAS, CMS, ALICE y LHCb. El detector ATLAS, cuyos datos se analizaron en el nuevo estudio, mide 46 metros de largo, 25 metros de alto y pesa aproximadamente 7,000 toneladas.

El bosón de Higgs fue durante mucho tiempo el último elemento faltante del Modelo Estándar de la física. Según las teorías actuales, en el momento del nacimiento del Universo, las partículas no tenían masa y se movían a la velocidad de la luz. Solo al interactuar con el campo de Higgs adquirieron masa, lo que hizo posible la formación de estrellas, planetas y la aparición de la vida.

El descubrimiento del bosón de Higgs requirió el análisis de datos de aproximadamente 500 billones de colisiones de protones. La masa de la partícula descubierta fue de alrededor de 125 gigaelectrón-voltios, aproximadamente 133 veces la masa de un protón. Por este descubrimiento, Peter Higgs y François Englert recibieron el Premio Nobel de Física en 2013.

La comunidad científica tenía grandes expectativas de descubrir nuevos fenómenos físicos más allá del Modelo Estándar. Sin embargo, años de observación no han revelado desviaciones de la teoría existente.

Entre los fenómenos que los físicos esperan encontrar están las partículas supersimétricas, dimensiones adicionales del espacio-tiempo y partículas de materia oscura. Esta última es de especial interés para los científicos, ya que representa alrededor del 27% de la masa-energía del Universo, pero aún no se puede observar directamente.

Los investigadores que trabajan con el detector ATLAS han propuesto una nueva metodología para detectar un fenómeno extremadamente raro: la aparición simultánea de dos bosones de Higgs en un solo evento. Según el Modelo Estándar, esto ocurre de forma extremadamente rara, aunque algunos modelos teóricos modernos sugieren que tales eventos deberían ser mucho más comunes. No obstante, hasta la fecha, el colisionador no ha registrado ni un solo caso de este tipo.

Según los cálculos teóricos, la probabilidad de que se genere un par de bosones de Higgs en una colisión de protones es de aproximadamente uno en 100,000 billones de colisiones. Además, la detección de tales eventos se complica por el hecho de que los bosones son extremadamente inestables y se desintegran en un tiempo del orden de 10^(-22) segundos.

Para resolver este problema, se desarrolló un software especial que simula el proceso de generación de partículas. Las simulaciones incluyeron tanto bosones de Higgs individuales como sus pares. Las señales de los eventos simulados fueron normalizadas de acuerdo con las lecturas esperadas del detector.

Tras completar la simulación por computadora, los investigadores comenzaron a comparar los resultados obtenidos con los datos reales del LHC. Dado el colosal volumen de información y la rareza de los eventos buscados, se utilizaron algoritmos de aprendizaje automático con árboles de decisión ajustables.

El sistema de procesamiento de datos del LHC es una red informática distribuida que conecta más de 170 centros de computación en 42 países del mundo. Cada año, los detectores del colisionador generan aproximadamente 90 petabytes de datos, lo que equivale a 90 millones de gigabytes.

La inteligencia artificial procesó millones de puntos de datos, una tarea que habría llevado años de meticuloso trabajo humano. Sin embargo, incluso este análisis exhaustivo no reveló señales que coincidieran con las predicciones teóricas.

Según el Dr. Zabinski, los detectores del LHC aún no han registrado ninguna desviación del Modelo Estándar. Sin embargo, el trabajo realizado ha permitido establecer importantes restricciones para futuros experimentos.

La ausencia de pruebas de "nueva física" no significa una refutación definitiva de las teorías. Es posible que la influencia de fenómenos desconocidos en la formación de pares de bosones de Higgs sea tan débil que no pueda detectarse con la sensibilidad actual de los instrumentos.

En los próximos años, se espera una gran modernización del LHC. Se planea aumentar significativamente la intensidad de los haces de protones, lo que conducirá a un mayor número de colisiones en cada experimento. En la búsqueda de eventos tan raros como la generación de pares de bosones de Higgs, el número de colisiones desempeña un papel crucial.

La modernización del colisionador, denominada High-Luminosity LHC, aumentará la luminosidad de la instalación en 5 a 7 veces. Permitirá registrar hasta 4,000 millones de colisiones de protones por segundo. El proyecto está valorado en 950 millones de francos suizos y debería completarse para 2029.

Paralelamente, los científicos del CERN continúan estudiando las propiedades de partículas individuales. Un área de especial interés es la interacción del bosón de Higgs con los quarks pesados y los leptones.