Como tentamos entender a natureza na escala máis pequena

Ao Gran Colisor de Hadróns (LHC) quédanlle moitas boas novas que dar á física máis aló do famoso bosón de Higgs. Proba diso é o traballo conxunto de dous dos seus experimentos publicado esta primavera, outro importante paso ao restrinxir o tipo de novas partículas que poderían existir para explicar a materia escura. O compostelán Xabier Cid Vidal, un dos científicos galegos implicados nesta relevante achega, conta en que consiste e como se traballa na maior colaboración científica do mundo.

Escribindo estas liñas, a 12.000 metros de altura, a medio camiño entre Suíza e Galiza, estou sendo alcanzado por miles de partículas elementais, os raios cósmicos, produto de infinidade de procesos que acontecen en paralelo no noso Universo. A nosa atmosfera actúa como escudo contra esas partículas, polo que os experimentos que as tentan detectar atópanse en moitos casos en satélites no espazo exterior. Porén, na superficie, nós tamén podemos tentar reproducir moitos deses procesos, para nos achegar á comprensión dos misterios que a natureza aínda agocha nas escalas máis pequenas. En concreto, o Gran Colisor de Hadróns LHC, no CERN (Xenebra), fai colidir protóns (que forman parte dos núcleos atómicos) a enerxías enormes con ese obxectivo. O que resulta interesante é que a escala que conseguimos explorar nestas colisións é inversamente proporcional á enerxía. Acadar enerxías cada vez máis altas (ou escalas máis pequenas) require máquinas cada vez máis complexas e grandes, ata chegar aos 27 km do LHC, cun sistema de refrixeración que converte o acelerador nun dos lugares máis fríos de todo o Universo.

O ambiente anda no CERN moi revolto nos últimos meses. Non é para menos! Estamos a piques de comezar unha nova era. Despois duns dous anos sen funcionar, acaba de bater o seu propio récord mundial na enerxía das colisións de protóns, que medra máis dun 60%, abrindo a porta a escalas máis pequenas e, xa que logo, a novos descubrimentos apaixonantes.

Cada colisión dános lugar a unha "imaxe distinta" que temos que fotografar co noso detector

Que significan as novas colisións na práctica? Máis traballo! E complicado! Poñámonos en situación. Unha dos cousas case "máxicas" ás que nos temos que enfrontar é que facendo colidir protóns, coa mesma enerxía, ángulo ou calquera outra propiedade que poidamos concibir, cada vez, producimos partículas distintas. Polo tanto, cada colisión dános lugar a unha "imaxe" distinta que temos que fotografar co noso detector. Unha imaxe composta por miles de partículas elementais que golpean os detectores. O xeito de golpealos non é sempre o mesmo, senón que depende da súa enerxía e tamén da súa identidade. Pero isto non é un problema, senón unha beizón! Do mesmo xeito que cando ollamos unha fotografía as diferentes cores axudan o noso cerebro a identificar o que temos diante, estas diferenzas no detector son as que nos permiten reconstruír o que aconteceu despois da colisión en detalle. Atopámonos así cunha morea de fotografías (millóns por segundo) que temos que analizar para facer medidas. Por suposto, con axuda de ordenadores e programas complexos.

Como atopar un paxaro camuflado nun bosque mesto

Imaxinemos que estamos na procura dun paxaro raro nun bosque. Non é doado de detectar, móvese moi rápido e aseméllase ao resto da fauna. E para complicalo aínda máis, o bosque está sempre cheo de brétema. O que facemos é situar unha cámara que faga fotos case de xeito constante. Desa maneira, ao final temos que nos enfrontar a millóns de fotografías nas cales atopar o noso paxaro. Pero como sabemos o que procuramos, podemos escribir un programa informático que estableza determinados patróns nas fotos. Por exemplo, podemos filtrar todas aquelas nas que teñamos algo que se pareza a un pico, e onde ademais teñamos unha forma esférica, pequena e marrón (a cor do paxaro). E pasamos de millóns de fotos, a só un cento!

Pero chegará un punto no que a nosa capacidade de separación non dará para máis, claro. Teremos varias fotos con formas que semellan o noso paxaro, pero non sabemos se realmente o son. Que facer? Pois a única solución é tentar estimar cantos paxaros doutro tipo esperamos despois de todos os procesos de filtrado anteriores. Isto non é inmediato, pero tampouco imposíbel. Por exemplo, podemos írmonos a outra zona do bosque onde xa sabemos que o noso paxaro raro non vive e medir alí cantos paxaros do resto agardamos. E ben, se mudamos en todo o anterior o bosque polo LHC, o paxaro por un proceso físico e as cámara fotográfica por un detector, estamos a describir o proceso mediante o cal conseguimos facer medidas.

Catro grandes experimentos

As colisións do LHC acontecen en catro puntos dentro do anel de 27 km. Ao redor deses puntos atópanse 4 grandes detectores: ALICE, ATLAS, CMS e LHCb. As características deses detectores dependen do tipo de física que se pretende facer. Do mesmo xeito que se un quere facer fotografía deportiva ou artística precisará dun tipo de cámara distinta. Os científicos do LHC, alén dos que traballan no propio colisor, organizámonos en colaboracións arredor dos detectores.


O LHC visto desde a superficie coa localización dos 4 principais detectores. Fotos: CERN

Existen polo tanto 4 colaboracións, de distinto tamaño, dende uns 700 ata 3.500 científicos que representan universidades e centros de investigación de diferentes países. A imaxe do investigador solitario con bata branca fica lonxe da realidade no noso mundo. Só grandes colaboracións internacionais poden dar lugar á nova física de partículas. Unha colaboración resulta un pequeno mundo en si mesma.

Só grandes colaboracións internacionais poden dar lugar á nova física de partículas

Os científicos no CERN temos un alto grao de identificación coas colaboracións no noso traballo, atreveríame a dicir que por riba da nacionalidade. Así, ao mesmo tempo, as colaboracións tamén compiten entre si, pois algunhas das medidas que se pretende facer son con frecuencia ás mesmas, pero cuns datos e un detector distinto. Esta competición é en xeral positiva: permite que os resultados sempre teñan máis dunha comprobación e estimula o traballo ao saber que existe outro grupo co mesmo obxectivo.

Outra separación natural entre os físicos de partículas é a dos teóricos e experimentais. Do lido ata o de agora, non debera resultar difícil adiviñar que pertenzo ao segundo grupo. Pero os dous tipos de físicos somos precisos e complementarios para entender mellor a natureza a nivel subatómico: os experimentais facemos as medidas e construímos os experimentos, e os teóricos tentan darlle un sentido global e unha interpretación matemática.

Desde o meu punto de vista, outro dos misterios da natureza é que se deixe describir matematicamente. Deste xeito, ao longo do século XX, varios físicos teóricos conseguiron atopar un modelo matemático que é quen de describir as dinámicas da física subatómica cunha precisión moitas veces abraiante. Denomínase Modelo Estándar da física de partículas, e o seu desenvolvemento deu lugar a varios premios Nobel.

Por moi ben que funcione, o Modelo Estándar non consegue explicar absolutamente todo

Un dos grandes obxectivos do LHC é atopar unha nova partícula que sexa candidata para a materia escura

Porén, por moi ben que funcione, o Modelo Estándar non consegue explicar absolutamente todo. Por exemplo, a gravitación, que mantén os planetas ligados ao Sol e que entendemos ben a nivel macroscópico (grazas en gran parte a Newton e Einstein), non encaixa ben no Modelo Estándar. De xeito similar, non consegue explicar ben a famosa materia escura.

De feito, un dos grandes obxectivos da física de partículas actual, e polo tanto do LHC, é atopar unha nova partícula que sexa candidata para a materia escura. En paralelo, numerosos físicos teóricos propoñen modelos alén do Modelo Estándar que inclúan novas partículas xunto ás xa descubertas e explicadas. Trátase dun esforzo dobre pero co mesmo ambicioso obxectivo: entender mellor a natureza. Cómpre dicir que o bosón de Higgs, descuberto no LHC cos datos tomados durante os anos 2011 e 2012 en ATLAS e CMS, non é en principio unha das novas partículas preditas por estes modelos diferentes, senón que forma parte do Modelo Estándar e mesmo o reforza.

O éxito da busca indirecta

Por sinxelo que poida parecer, existen distintos xeitos de abordar a procura de novas partículas. O máis intuitivo é unha busca directa. Agardamos producir esas novas partículas nas colisións protón-protón. O que non agardamos é que interaccionen co detector! Como detectalas entón? Pois mirando se nos “falta” algo no detector. Sabemos que a enerxía se conserva e tamén a enerxía inicial á que facemos colidir os protóns. Xa que logo, se contamos o total que temos despois das colisións podemos medir a diferenza. Se ocorre que sempre nos falta unha cantidade de enerxía similar, correspondente a unha determinada masa, velaí está, unha nova partícula! Esta é a aproximación que seguen experimentos como ATLAS e CMS.

Pero existe unha segunda posibilidade complementaria: a busca indirecta. Pensemos de novo na interacción das partículas subatómicas. O máis sinxelo que podemos imaxinar é a repulsión de dous electróns da mesma carga e ocorre que esa interacción a nivel cuántico dicimos que está mediada por outras partículas. A repulsión acontece porque os dous electróns intercambian fotóns (as partículas que compoñen a luz). Este concepto é extensíbel a calquera tipo de interacción subatómica. Sempre hai partículas que median nos procesos. E o tipo de partículas que median inflúen na probabilidade e nas propiedades da interacción. Pois ben, no LHC podemos tamén analizar interaccións subatómicas complexas e comprobar se están mediadas por novas partículas, como poderían ser as que expliquen a materia escura.

Un dos procesos máis prometedores para a procura indirecta de novas partículas é o decaemento Bs→μμ. Neste proceso, unha partícula composta por un quark b e un quark s (que simbolizamos por Bs) convértese en dous muóns. Os quarks son as compoñentes máis pequenas de moitas partículas, como por exemplo dos protóns e neutróns. Os muóns son partículas similares a electróns, pero moito máis pesados. Gran parte dos raios cósmicos dos que falabamos son en realidade muóns. O decaemento de Bs en dous muóns ten sido identificado por numerosos físicos teóricos como moi sensible á presenza de novas partículas. En concreto, a probabilidade deste proceso pode variar se outras partículas diferentes das do Modelo Estándar, como as que explicarían a materia escura, existisen. Polo contrario, coas partículas que coñecemos actualmente, a probabilidade sería só de tres entre mil millóns!

As dúas colaboracións fomos capaces de medir unha probabilidade de aproximadamente tres entre mil millóns, similar á predita no Modelo Estándar

A medida axuda a restrinxir moitos modelos propostos, e a contribución galega foi moi importante

As colaboracións CMS e LHCb levaron a cabo a medida da probabilidade de Bs→μμ. Un claro exemplo da competición que mencionabamos. A pesar das probabilidades tan pequenas das que falamos, as dúas colaboracións fomos capaces de medir unha probabilidade de aproximadamente tres entre mil millóns. Si, esta probabilidade é similar á predita dentro do Modelo Estándar. Isto non significa que todos os modelos alén do estándar estean descartados, pero si que a medida axuda a restrinxir moitos dos propostos. Ou, de xeito parecido, a restrinxir o tipo de partículas novas que poden existir para explicar a materia escura. Este resultado ten sido identificado, xunto co descubrimento do bosón de Higgs, como o máis importante ata agora do LHC. E cómpre destacar que a contribución galega foi moi importante, dando lugar a dúas teses de doutoramento na USC (entre elas a da quen isto escribe) e coa implicación importante de varios físicos desta Universidade.

Masa dos candidatos a Bs a partir do seu decaemento a dous muóns. Gráfico: CERN

A pesar da competición entre as colaboracións, este tamén resultou un caso fermoso de cooperación polo ben da ciencia. CMS e LHCb decidimos combinar os datos da nosa busca para así acadar unha significancia estatística maior na medida. O artigo que deu lugar á combinación vén de ser publicado en Nature, seguramente a revista máis prestixiosa no ámbito científico. Este traballo foi o primeiro procedente do LHC publicado nela, o cal supón todo un recoñecemento que indica a importancia do resultado.

O pasado maio resultou así, á vez, un recoñecemento ao LHC co noso artigo en Nature e un impulso cara ao novo que vai vir, con colisións de partículas a unha enerxía sen precedentes na historia. Non nos conformamos co conseguido, queremos entender máis e mellor! E grazas ao esforzo común de miles de científicos, sen importar a súa nacionalidade ou orixe, imos continuar neste camiño de descubrimento para levar a fronteira do coñecemento humano un pasiño máis aló.