domingo, 5 de octubre de 2008

Terminando la gran sequía de datos. Parte 02.


De harapos a la riqueza



Este lamentable estado de asuntos científicos felizmente está llegando a su fin. Los dos enormes detectores (ATLAS y CMS) del LHC - consumiendo juntos suficiente metal para volver a construir la Torre Eiffel - pronto serán apedreados por un gran número de partículas energéticas arrojadas de las violentas colisiones protón-protón en su interior. Si bien el Tevatrón ha dado pistas a los físicos en las partículas sobre los procesos que ocurren con energías hasta unos pocos cientos de millones de electrón-voltios y en distancias de hasta casi 10–18 m, el LHC les permitirá observar lo que sucede en varios billones de electrón-voltios (TeV) y en distancias 10 veces menores.



Uno de los primeros objetivos será el largamente buscado y muy pregonado Bosón (o bosones) de Higgs, la culminación del Modelo Estándar que teoriza que proporciona a la mayor parte de sus entidades fundamentales sus masas intrínsecas. Los experimentos hasta la fecha en el LEP y en el Tevatrón han limitado la masa de un único Bosón de Higgs estándar entre 0.114 y 0.150 TeV, una baja y muy estrecha gama de energías, habida cuenta de las capacidades existentes. Sin embargo, el Tevatrón no tiene siquiera un potencial de luminosidad cercano al del LHC, lo que debería resultar crucial en la búsqueda de esta especie de fantasma, raro y difícil de detectar. Los investigadores del Fermilab todavía puede obtener un fugaz vistazo del Bosón de Higgs en el resto de sus carreras experimentales, pero sólo teniendo buena fe; los descubrimientos importantes casi seguro que estarán en el LHC.



Sin embargo, curiosamente la escasa masa del Bosón de Higgs plantea otro dilema desconcertante, conocido como el "problema de jerarquía en masa". Según la teoría cuántica de campos, gran cantidad de correcciones cuánticas se necesitan para aumentar la masa del Bosón de Higgs (y las de las demás partículas fundamentales) a cerca del nivel de masa de Planck de 1016 TeV, algunos órdenes de magnitud más altos que la precisión requerida por los experimentos. ¿Qué mantiene su masa tan baja?

La supersimetría proporciona una inteligente, si bien engorrosa, respuesta a este problema prediciendo la existencia de socios supersimétricos para todos las partículas del Modelo Estándar - un fotino para el fotón, un selectron para el electrón, un squark por cada Quark, y así sucesivamente. Estas nuevas partículas exóticas, naturalmente en teoría cancelan estas correcciones desagradables y mantienen las masas de las partículas del Modelo Estándar relativamente bajas. A pesar de que estas superpartículas puede pesar sustancialmente más que sus asociados del modelo estándar, no pueden tener masas por encima de unos pocos TeV o el delicado balance de cancelaciones se saldría de control. Si la supersimetría es, en efecto, la solución definitiva del problema de la jerarquía, estas partículas deben a su vez aparecer finalmente en las energías del LHC.

En realidad descubrir superpartículas, sin embargo, no será fácil. Por un lado, hay una desconcertante variedad de posibles teorías, dando lugar a una amplia gama de predicciones observables de partículas con una amplia gama de masas potenciales y el decaimiento. Como una vez me advirtió el teórico del SLAC James "BJ" Bjorken, "Susy es una dama muy resbaladiza!"

Otro problema es que la mayoría se superpartículas decaen en partículas invisibles que escapan sin ser observadas por el detector. Si tales sucesos se producen, se manifestarán por lo tanto como faltantes en la componente transversal de energía - un desequilibrio en la distribución de la energía visible perpendicular a la dirección del haz. Sin embargo, el déficit similar también puede ser causado por partículas invisibles del Modelo Estándar como los neutrinos o por deficiencias en la cobertura angular de un detector. Para establecer que una nueva e inusual partícula ha aparecido dentro del detector, por lo tanto, los experimentadores deben calcular con precisión y restar todos esos antecedentes, que pueden ser sustancialmente mayores que la señal de que están tratando de extraer. Esta es una tarea enormemente difícil, agravada por el hecho de que la señal esperada probablemente no aparecerá como un fuerte pico de resonancia, sino que se ampliará por el efecto del movimiento de otras partículas de desintegración. Y en el LHC, las señales se diluyen por los movimientos escalofriantes de quarks y gluones dentro de los protones que chocan - un proceso desordenado del que el teórico Richard Feynman, una vez se refirió como "chocar botes de basura con botes de basura" para ver lo que hay dentro.

Por el contrario, tomemos las alarmantes señales que llevaron a la primera evidencia de quarks a finales del decenio de 1960 y principios de 1970. Estos eran enormes - órdenes de magnitud más grandes que el fondo que quedó después de los cortes simples aplicados a los datos para eliminar la basura evidente. La primera generación de detectores de ISR, por ejemplo, fueron desbordados por hordas de hadrones arrojados a grandes ángulos a partir de las duras colisiones de los quarks y gluones, los constituyentes de los protones. Y en noviembre de 1974, un pico estrecho estalló en la la sección transversal de producción de Hadrones en el colisionador SPEAR de electrones-positrones, que estuvo alrededor de 1000 veces por encima de la línea de base. ¡Esas espectaculares señales fueron imposibles de perder!

Si existen, las superpartículas no dejarán huellas tan evidentes para las dos colaboraciones experimentales de tamaño industrial del LHC, cada uno de ellos con más de 1,000 físicos. La búsqueda de estas presas tan eusivas y escurridizas bien puede consumir un arduo trabajo, lleno de ambigüedad. Aquí es donde la subjetividad puede entrar en la empresa experimental. Muchos físicos, teóricos y experimentales por igual, amarían profundamente ver la supersimetría demostrada como cierta, porque resolvería tantos problemas persistentes de un solo trazo. No sólo resolvería el problema de jerarquía, sino también puede fácilmente abonar en la cuenta de la misteriosa materia oscura del universo, cuya evidencia indirecta se ha vuelto abrumadora. Y las teorías de cuerdas absolutamente la requieren. Pero el deseo de ser el primero en hacer importantes descubrimientos pueden llevar a los ansiosos experimentadores a ajustar los cortes de datos, subestimar los fondos, y por lo tanto inadvertidamente fabricar los resultados que anhelan descubrir.

Continuará...

Imagen: (Maximilien Brice, © CERN)

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