La media hostia

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Redacción

Tommaso Dorigo es un físico de partículas elementales que colabora con el experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab —EEUU— y con el experimento CMS del LHC del CERN —Europa—. Es famoso por su blog A Quantum Diaries Survivor, en el que nos pone al día de los avances más interesantes en física de partículas elementales desde el punto de vista experimental y a veces también desde el punto de vista teórico. Su blog es el mejor que yo conozco sobre estos temas. Una de sus últimas entradas (...) me ha llamado la atención y creo que su descripción de lo que es un protón para un físico de partículas elementales también llamará poderosamente la atención a los lectores de este mi blog.

Las colisiones de hadrones —protón-antiprotón en el Tevatrón y protón-protón en el LHC— son todo lo aburridas que uno pueda imaginar que algo aburrido pueda llegar a ser. Incluso si uno logra acelerar dos hadrones a energías altísimas, cuando uno los hace chocar entre sí es muy difícil que se produzcan colisiones realmente energéticas entre sus constituyentes. La mayoría de la energía se la llevan el resto de los constituyentes de estas partículas, que no colisionan de ninguna manera.

Pongamos el caso del LHC del CERN. Los protones son como bolsas de basura. En la colisión de dos protones, lo normal es que uno atraviese al otro sin que pase absolutamente nada. Los protones prácticamente están vacíos. Sus constituyentes, quarks y gluones, también llamados partones, sí son objetos «duros» y raras veces en las colisiones entre protones se observa que dos partones colisionen —y, por supuesto, cuando lo hacen, lo hacen con una energía muy inferior a la que tenían los protones—. En estas raras ocasiones es como si una lata de cerveza de una bolsa de basura colisionara con una botella de ginebra de la otra. Sólo entonces se observa una colisión en los detectores de partículas. Los diferentes trozos de cristal de la botella vuelan en ciertas direcciones y los físicos de partículas se dedican a tratar de reconstruir gracias a sus detectores cual es la marca de ginebra que más le gusta al dueño de la bolsa de basura.

«Los protones son como bolsas de desperdicios, son capaces de volar unos a través de otros sin que ocurra demasiado. Los quarks y gluones que contienen son sin embargo objetos duros. Ocurre ocasionalmente que una lata dentro de una bolsa colisiona con una botella de ginebra en otra bolsa y entonces, sólo entonces, ocurre algo interesante. Los trozos de cristal echan a volar en direcciones específicas, y nos permiten aprender incluso las marcas que al propietario de la bolsa le gusta beber.»

Lo peor de todo es que incluso cuando se observan colisiones entre partones, la mayoría no tienen ningún interés científico. Se comportan como cabría esperar según la cromodinámica cuántica —QCD—, la teoría de los quarks y de los gluones. Una teoría que ha sido estudiada experimentalmente en los últimos 30 años y que no ofrece nada interesante a los físicos de partículas de la actualidad. De hecho, los sistemas de análisis automático de los resultados de los detectores están preparados para detectar dichas colisiones y descartarlas como colisiones que no tienen ningún tipo de interés —los datos de dichas colisiones ni siquiera son almacenados en disco—. El LHC del CERN no se ha construido para que entendamos mejor los procesos debidos a la QCD.

El LHC del CERN se ha construido para estudiar los procesos relacionados con la ruptura de la simetría electrodébil y la posibilidad de física más allá del modelo estándar. El problema es que los procesos electrodébiles son extremadamente raros, comparados con los procesos de la QCD, cuando se utilizan protones como proyectiles. Se estima que sólo una colisión en cada millón involucra un bosón electrodébil —W o Z—. Para producir un solo bosón de Higgs es necesario estudiar más de 10 mil millones de colisiones de pares de protones.

Pero hay un problema añadido, los detectores del LHC del CERN no son 100% eficaces; es imposible que todos los bosones de Higgs que se produzcan sean observados. Por ejemplo, el experimento CMS del LHC será capaz de estudiar los bosones de Higgs que se desintegren en dos bosones Z y que posteriormente se desintegren en 4 muones —H -> ZZ -> 4 muones—. Los detectores de muones tienen un eficacia del 90%, luego detectarán 4 muones simultáneamente sólo el 0,9^4=65% de las veces. Como un bosón de Higgs se desintegrará en un par de bosones Z un 20% de las veces —en el mejor caso—, y un bosón Z se desintegra en un par de muones sólo un 3,3% de las veces, el resultado es que sólo el 0,65 x 0,2 x 0,033 x 0,033, alrededor del 0,0001 de las desintegraciones de bosones de Higgs en el LHC será detectada en el experimento CMS. Se necesitará producir más de 10.000 Higgs para detectar uno.

Haciendo números, para observar 1.000 bosones de Higgs y poder proclamar que dicha partícula ha sido definitivamente descubierta se requerirán 10 mil millones de desintegraciones en 4 muones, lo que requerirá 100 mil billones de colisiones de pares de protones en el LHC del CERN. En notación científica 10^17 colisiones. Tommaso nos recuerda magistralmente que 10^17 granos de arena son suficientes para cubrir varios cientos de kilómetros de costa. ¿Cuánto tiempo de colisiones continuas se requerirá en el LHC para alcanzar estos números? Tommaso nos asusta. En 7 años de colisiones, obviamente no todo el tiempo estará el LHC a pleno rendimiento, podemos estimar que habrá colisiones durantes unos 100 millones de segundos. Para recolectar 10^17 colisiones se necesitará adquirir, digitalizar y almacenar en disco duro los datos de unos 10^17/10^8= 10^9, o mil millones de colisiones por segundo. Algo prácticamente imposible, por lo que se han diseñado dispositivos capaces de detectar en tiempo real las colisiones interesantes y descartar el resto. Se estima que de cada 40 millones de colisiones por segundo, menos de 300 serán consideradas interesantes y serán almacenadas en disco para su análisis posterior. Una labor que ha requerido muchos años de trabajo de informáticos, ingenieros y científicos que hasta que la fase de pruebas de este año no se complete en su totalidad no se sabrá si logrará cumplir con todas las expectativas.

Los informáticos, ingenieros y demás científicos del CERN están preparados para lograrlo, y lo lograrán. ¡Alucinante!

Visto en Francis (th)E mule Science's News.