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5 descubrimientos hechos por el Gran Colisionador de Hadrones (hasta ahora)

5 descubrimientos hechos por el Gran Colisionador de Hadrones (hasta ahora)
Satisfacer
  1. El bosón de Higgs
  2. Tetraquark
  3. Falta de supersimetría
  4. Movimiento coordinado
  5. Signos de un nuevo físico, después de todo … o no

5: el bosón de Higgs

El 12 de noviembre de 2013, el profesor Peter Higgs visita la exposición “Collider” en el London Science Museum. Creo que es justo decir que Higgs y sus colegas no previeron completamente el bosón de Higgs.

Peter Macdiarmid / Getty Images

En nuestro mundo macro, asumimos que todas las partículas tienen masa, no importa cuán pequeña sea. Pero en el micro mundo teoría electrodébil, que une las fuerzas electromagnéticas y las fuerzas débiles en una sola fuerza subyacente, establece que las partículas especiales llamadas mediadores no debería tener misa; lo cual es problemático, porque algunos lo hacen.

Los mediadores son portadores de fuerza: Fotones transmitir electromagnetismo, mientras Bosones W y Z usar fuerza débil. Pero mientras que los fotones no tienen masa, los bosones W y Z tienen un peso considerable, del orden de 100 protones cada uno. [source: CERN].

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En 1964, el físico Peter Higgs de la Universidad de Edimburgo y el equipo de François Englert y Robert Brout de la Universidad Libre de Bruselas propusieron de forma independiente una solución: un campo inusual que transmitía masa en función de la fuerza con la que las partículas interactuaban con ella. . Si esto Campo de Higgs existía, entonces debería haber una partícula mediadora, una el bosón de Higgs. Pero se necesitaría una instalación como el LHC para detectarlo.

En 2013, los físicos confirmaron que encontraron un bosón de Higgs con una masa de aproximadamente 126 gigaelectronvoltios (GeV), la masa total de aproximadamente 126 protones (la equivalencia masa-energía permite a los físicos “ usar electronvoltios como una unidad de masa) [sources: Das]. Lejos de cerrar los libros, abrió nuevas áreas de investigación sobre la estabilidad del universo, porque parece contener mucha más materia que antimateria y la composición y abundancia de materia oscura. [sources: Siegfried].

4: tetraquark

¡Detecta quarks!  El fallecido físico teórico Nathan Isgur presenta un modelo parcial de una máquina para observar el comportamiento de los quarks.  El precio (en 1981) fue de 83 millones de dólares.

¡Detecta quarks! El fallecido físico teórico Nathan Isgur presenta un modelo parcial de una máquina para observar el comportamiento de los quarks. El precio (en 1981) fue de 83 millones de dólares.

Ron Bull / Toronto Star a través de Getty Images

En 1964, dos investigadores lucharon por comprender hadrones – las partículas subatómicas afectadas por la fuerza fuerte – individualmente tenían la idea de que consistían en una partícula constituyente de tres tipos. George Zweig los llamó ases; Murray Gell-Mann los apodó cuarc y etiquetaron sus tres tipos, o sabores, como “alto”, “bajo” y “extraño”. Más tarde, los físicos identificarían otros tres tipos de quarks: “encantadores”, “altos” y “bajos”.

Durante muchos años, los físicos dividieron los hadrones en dos categorías según las dos formas en que los quarks los producían: bariones (incluidos protones y neutrones) estaban formados por tres quarks, mientras que mesones (como piones y kaones) estaban formados por pares quark-antiquark [sources: CERN; ODS]. Pero, ¿son estas las únicas combinaciones posibles?

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En 2003, investigadores japoneses encontraron una partícula extraña, X (3872), que parecía consistir en un quark encanto, un anticharm y al menos otros dos quarks. Al explorar la posible existencia de la partícula, los investigadores encontraron Z (4430), una partícula aparente con cuatro quarks. Desde entonces, el LHC ha descubierto evidencia de la existencia de muchas de estas partículas, que rompen, o al menos doblan significativamente, el patrón establecido para las disposiciones de los quarks. Estas partículas Z son efímeras, pero pueden haber prosperado durante aproximadamente un microsegundo después del Big Bang. [sources: O’Luanaigh; Diep; Grant].

3: supersimetría ausente

Un trabajador se sienta debajo del solenoide de muón compacto (CMS), un detector multipropósito en el LHC.  Algunos físicos tenían grandes esperanzas de que el detector descubriera evidencia para fortalecer SUSY.

Un trabajador se sienta debajo del solenoide de muón compacto (CMS), un detector multipropósito en el LHC. Algunos físicos tenían grandes esperanzas de que el detector descubriera evidencia para fortalecer SUSY.

Fabrice Coffrini / AFP / Getty Images

Los teóricos han avanzado supersimetríaapodado SUSYPara hacer frente a varios problemas problemáticos, el Modelo Estándar ha quedado sin respuesta, por ejemplo, por qué algunas partículas elementales tienen masa, como el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles podrían haberse juntado y quizás lo que se ha convertido en materia oscura. También estableció una tentadora relación entre quarks y leptones que componen el tema y bosones que median sus interacciones. Como los bariones mencionados anteriormente, los leptones (como los electrones) pertenecen a un grupo de partículas subatómicas llamadas fermiones que tienen propiedades cuánticas opuestas a los bosones. Sin embargo, según SUSY, cada fermión tiene un bosón correspondiente, y viceversa, y cada partícula puede convertirse en su contraparte. [sources: CERN; Siegried].

Si esto es cierto, SUSY significaría que los dos tipos de partículas elementales (fermiones y bosones) son solo dos caras de la misma moneda; esto eliminaría ciertas cantidades infinitas incontrolables que surgen en las matemáticas, permitiendo que las partículas correspondientes se anulen entre sí; y eso dejaría espacio para la gravedad, una omisión evidente en el modelo estándar, porque las conversiones bosón-fermión y bosón-fermión podrían involucrar gravitones, los portadores de la fuerza gravitacional se han teorizado durante mucho tiempo.

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Los físicos esperaban que el LHC encontrara evidencia para apoyar a SUSY o revelar problemas más profundos que apuntan a un nuevo territorio teórico y experimental. Hasta ahora, no parece que haya sucedido, pero aún no cuente la supersimetría. SUSY existe en muchas versiones, cada una vinculada a supuestos específicos; el LHC simplemente seleccionó algunas de las variedades más elegantes y probables.

2: movimiento coordinado

La sopa del día en el CERN es un plasma sustancial de quarks y gluones.

La sopa del día en el CERN es un plasma sustancial de quarks y gluones.

Wavebreakmedia Ltd / Wavebreak Media / Thinkstock

Cuando los científicos que calibraron los instrumentos del LHC omitieron las habituales colisiones protón-protón y en su lugar optaron por llevar los protones de regreso a los núcleos principales, notaron un fenómeno sorprendente: los caminos aleatorios que suelen tomar los fragmentos subatómicos resultantes. aparente coordinación.

Una teoría avanzada para explicar el fenómeno dice que el impacto creó un estado exótico de la materia llamado plasma de quark-gluón (QGP), que fluía como un líquido y producía partículas coordinadas durante el enfriamiento. El Laboratorio Nacional de Brookhaven y el LHC ya han creado el QGP, la forma más densa de materia fuera de un agujero negro, que alcanza iones pesados ​​como el plomo y el oro. Si el QGP de una colisión protón-plomo es posible, podría influir significativamente en las ideas sobre cómo los científicos ven las condiciones inmediatamente después del Big Bang, cuando el QGP experimentó su breve apogeo. Solo hay un problema: la colisión no debería tener suficiente energía para producir la hipotética sopa de quarks. [sources: CERN; Grant; Roland and Nguyen; Than].

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Aunque la mayoría de los físicos prefieren esta idea, a pesar de sus problemas, algunos han abogado por una segunda explicación que involucra un campo teórico creado por gluones, partículas que median una fuerza fuerte y atacan quarks y antiquarks en protones y neutrones. La hipótesis dice que los gluones que se mueven a una velocidad cercana a la luz forman campos que los hacen interactuar. Si es correcto, este modelo puede proporcionar información valiosa sobre la estructura y la interacción de los protones. [sources: Grant].

1: Signos de un nuevo físico después de todo … o no

Seiscientos millones de colisiones de partículas por segundo pueden generar una gran cantidad de datos y, por tanto, análisis.  Probablemente se pueda decir con certeza que los datos del LHC traerán muchas más sorpresas.

Seiscientos millones de colisiones de partículas por segundo pueden generar una gran cantidad de datos y, por tanto, análisis. Probablemente se pueda decir con certeza que los datos del LHC traerán muchas más sorpresas.

Fabrice Coffrini / AFP / Getty Images

Por ilógico que parezca, muchos físicos esperaban que el LHC abriera algunos agujeros en el modelo estándar. Después de todo, el panorama tiene problemas y quizás uno o dos descubrimientos revolucionarios confirmarán la supersimetría o, al menos, apuntarán a nuevas vías de investigación. Sin embargo, como se mencionó, el LHC asestó repetidos golpes a la física exótica, reconfirmando el modelo estándar con cada vuelta. Por supuesto, los resultados no están completos (hay muchos datos para analizar) y el LHC aún no ha alcanzado su energía total de 14 teraelectrones voltios (TeV). Sin embargo, las probabilidades de que el modelo estándar no se vea bien no son buenas.

O tal vez sea así, si un informe de 2013 sobre la degradación del mesón B es una indicación. Muestra que los mesones B se descomponen en un mesón K (también conocido como kaon) y dos muones (partículas similares a electrones), que no levantan las cejas, excepto que la descomposición siguió un patrón no predicho por el Modelo Estándar. Desafortunadamente, el estudio está actualmente por debajo del límite de baile en nuestras batas de laboratorio. Sin embargo, es lo suficientemente alto como para aumentar la esperanza y un mayor análisis de datos puede llevarlo de la zona roja a la zona final. En ese caso, el extraño modelo de descomposición podría ofrecer el primer vistazo de la nueva física que muchos están buscando. [sources: Johnston; O’Neill].

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A veces, la máquina encargada de facilitar descubrimientos impresionantes necesita algo de tiempo de inactividad.  Aquí, un trabajador de mantenimiento inspecciona el túnel del LHC el 19 de noviembre de 2013.

A veces, la máquina encargada de facilitar descubrimientos impresionantes necesita algo de tiempo de inactividad. Aquí, un trabajador de mantenimiento inspecciona el túnel del LHC el 19 de noviembre de 2013.

Vladimir Simicek / isifa / Getty Images

A veces son las pequeñas cosas las que te vuelven loco. A principios del siglo XX, los físicos parecían tener el universo muy bien cosido, entre la gravedad newtoniana y las ecuaciones electromagnéticas de Maxwell. Solo había un problema problemático: cómo explicar la radiactividad. El enfrentamiento desató una revolución científica que reveló la sorprendente verdad sobre las pequeñas cosas: a veces contienen universos.

La física de partículas y la mecánica cuántica, las primeras ciencias, llevaron a la física a otras dos fuerzas fundamentales y una colección de partículas elementales extrañas, pero después de la década de 1970 no quedó nada para probar y refinar la teoría dominante. modelo estandar. Otros 30 años de parches subatómicos producidos por aceleradores y aceleradores llenaron los principales vacíos, pero quedaban muchas preguntas: ¿por qué algunas partículas tenían masa y otras no? ¿Podríamos unificar las cuatro fuerzas fundamentales o hacer coincidir la relatividad general y la mecánica cuántica?

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¿Podría uno de esos hilos colgantes desencadenar otra revolución? Descubrirlo requeriría un mayor y más poderoso colisionador de partículas que nunca, un anillo de imanes superconductores 27 km (16,8 millas) más frío que el espacio exterior, capaz de unir partículas a velocidades cercanas a la de la luz en un vacío ultra alto. El 10 de septiembre de 2008, este Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de $ 10 mil millones, el esfuerzo colaborativo de cientos de científicos e ingenieros de todo el mundo, se unió al Acelerador de Campus de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) y rompió la colisión de partículas. con rapidez.

Volvamos a lo que hemos aprendido hasta ahora, comenzando con el descubrimiento más famoso de todos.