Y más allá

Acercándonos al LHC

Aunque el Modelo Estándar ha tenido mucho éxito en la explicación y predicción de fenómenos experimentales , se sabe que no puede ser la teoría definitiva de la Física de Partículas dado que no da respuesta a muchas cuestiones de gran importancia.

Asi, si las fuerzas y partículas hoy propuestas es todo lo que haydeberían todas esas partículas viajar a la velocidad de la luz, pero no es eso lo observado. Para "ralentizarlas se necesita el campo de Higgs, que fue finalmente encontrado en 2013 a partir de los datos de los detectores ATLAS y CMS del LHC.

No incluye la fuerza da gravedad y no abarca la Teoría General de la Relatividad.

Además, los físicos saben hoy que el 96 % del universo no está hecho de la materia que nosotros coñecemos, y eisto no encaja en el Modelo Estándar.

Como extender el Modelo Estándar para contemplar estos problemos son cuestiones abertas que deben comenzar a ser respondidas con los datos de los experimentos en el LHC.


Como ya indicamos al inicio de este apartado, el Modelo Estándar no puede ser la teoría final de la Física de Partículas. Existen diversos modelos teóricos que evaden las limitacións del Modelo Estándar, y su estudio es uno de los objetivos de los experimentos (detectores) del LHC.

Durante décadas, las llamadas teorías de Supersimetría (SUSY) aparecieron como tentativas de solución a las limitacioness del Modelo Estándar. La idea esencial era que para cada tipo de partícula habría otra asociada -supercompañera- de gran masa. Se trataría de una réplica en forma de bosón si la partículas "normal" es un fermión y viceversa.

Actualmente, el relevo de estas teorías de  Supersimetría fue tomada por modelos que involucran "sectores oscuros”, que incluyen partículas que apenas se relacionan con sus compañeras del Modelo Estándar, lo que hace qie su detección sea muy compleja.

Existen muchas variantes de modelos con sectores escuros, y cada una de ellos predice fenomenologías diferentes. Un ejemplo es el de partículas “de larga vida”, que pueden volar distancias macroscópicas antes de desintegrarse. Podemos generalizar señalando que para encontrar estas partículas es preciso o bien acumular muchas colisiones, dado que se producen de modo muy infrecuente, o alcanzar energías de colisión muy grandes, dado que su masa es mucho mayor que la de las partículas hasta ahora conocidas.

Una de las ventajas de estos modelos con sectores oscuros e que, tipicamente, incluyen partículas neutras, masivas, y que casi no interaccionan. Este tipo de partículas son candidatas excelentes a materia oscura. Este, junto con otros motivos de tipo teórico más formal, hacen este tipo de modelos tremendamente atractivos.

En este sector oscuro da Física de Partículas podríamos tener un bosón de Higgs oscuro homólogo. De igual manera que el bosón de Higgs normal, esta partícula estaría conectada al mecanismo que da masa a las partículas del sector escuro.

La energía disponible actualmente en las colisiones protón-protón en el LHC puede ser suficiente para producir esta clase de partículas según este tipo de modelos teóricos. Tres de los experimentos más grandes del LHC (ATLAS, CMS y LHCb) tienen un programa muy extenso de búsqueda de partículas de sectores oscuros, diseñado para, en el caso de que estas teorías sean correctas, detectar su señal.

(Tomado de https://cms.cern/news/searching-dark-side-universe)

En la imagen tenemos una visualización de un evento de una colisión de partículas registrada en el detector CMS, ocurriendo la colisión inicial de dos protones, que vienen en sentidos contrarios, en el centro de la imagen. Como resultado, se crean un par de leptones cargados de alta energía (un muón en rojo y un electrón en verde en lado izquierdo de la imagen), apareciendo un desequilibrio significativo del momento transversal (flecha rosa en el lado derecho de la imagen), que apuntaría en la dirección en la que podrían haber ido las partículas de materia oscura no detectadas.


The Search for Hidden Particles (SHiP) experiment.

Tomado de ShiP Website

SHiP y la instalación asociada SPS Beam Dump Facility es un nuevo experimento de propósito general que se está preparando en el acelerador SPS del CERN para buscar partículas "oscuras" tal y como predicen un gran número de modelos de Sectores Oscuros capaces de explicar, por ejemplo, la materia oscura, las oscilaciones de neutrinos y el origen de la asimetría de bariones en el Universo. El experimento está diseñado para buscar cualquier tipo de partículas de larga vida y débilmente interactivas, entre las que se encuentran, por ejemplo, leptones neutros pesados, fotones oscuros, escalares oscuros, partículas similares a axiones y partículas supersimétricas ligeras, etc., así como diferentes tipos de materia oscura ligera.

La alta intensidad del SPS y, en particular, la gran producción de mesones charme y fotones con el haz de protones de 400 GeV permiten una búsqueda exhaustiva en la escala MeV-GeV en muchos órdenes de magnitud de acoplamiento. El detector incorpora dos aparatos complementarios destinados a buscar partículas ocultas tanto a través de desintegraciones visibles como a través de firmas de dispersión procedentes del retroceso de electrones o núcleos. Además, la instalación es idónea para estudiar las interacciones de los neutrinos tau.

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El experimento MADMAX del CERN sondea candidatos a materia oscura.

Los axiones son unas partículas que algunos físicos teóricos predicen que pueden explicar por qué existe una sutil diferencia entre materia y antimateria en los procesos en los que interviene la fuerza débil, pero no la fuerza fuerte. Si los axiones existen, podrían encontrarse en el centro del Sol y también podrían constituir la materia oscura invisible.

En la última década, los físicos han explorado varios enfoques experimentales, como el CERN Axion Solar Telescope, para buscar axiones. Hasta la fecha, ningún experimento ha logrado encontrarlos.

MADMAX (Magnetized Disk and Mirror Axion experiment) es una colaboración relativamente reciente que comenzó en 2017. Desde 2020, el CERN ha proporcionado el Morpurgo magnet al experimento durante las paradas técnicas, cuando el haz SPS está fuera de servicio. MADMAX se beneficia de una fuerte participación de todo el CERN para criogenia, imanes, convertidores de energía eléctrica y seguridad y operaciones. Es uno de los pocos experimentos del CERN que se adapta bien a las pruebas independientes del tiempo de haz, ya que no requiere un haz de partículas de un acelerador.

El descubrimiento de los axiones tendría profundas implicaciones para la comprensión tanto de la física de partículas como de la cosmología. En primer lugar, validaría la existencia de una nueva partícula predicha por los teóricos hace más de 40 años, confirmando la correcta comprensión de las fuerzas fundamentales del Universo. En segundo lugar, dado que los axiones se consideran uno de los principales candidatos a materia oscura, su descubrimiento podría proporcionar una explicación directa de esta sustancia escurridiza que constituye una parte significativa del Universo.




Además de los experimentos en aceleradores de partículas, hay otras propuestas para detectar la materia oscura basadas en el estudio de la  materia oscura galáctica, pero traemos aquí un intento diferente realizados por los Físicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC (EEUU) del Departamento de Energía (DOE). Proponen una nueva forma de buscar materia oscura utilizando dispositivos cuánticos, que podrían sintonizarse de forma natural para detectar lo que los investigadores denominan materia oscura "termalizada".

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AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Estuvo vinculado al Depto de Física de Partículas de la USC como becario "Juan de la Cierva", "Ramon y Cajal" (Spanish Postdoctoral Senior Grants), y Profesor Contratado Doctor. Desde 2023 es Profesor Titular de Universidad en ese Departamento (ORCID).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España), hasta su retiro en 2020. Es Licenciado en Física, Licenciado en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).(ORCID).

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Toda la Bibliografía que ha sido consultada para esta Sección está indicada en la Sección de Referencias


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO (ESPAÑA) |

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