Científicos españoles participan en la reactivación del mayor acelerador de partículas del mundo
Después de tres años de inactividad, el Gran Colisionador de Hadrones se halla en una nueva etapa que permitirá avanzar en el estudio de diversos campos de la física, entre ellos el del bosón de Higgs.
El Gran Colisionador de Hadrones se pondrá en marcha de nuevo en verano tras las pruebas que se están realizando.
Un 4 de julio del año 2012, recién cumplida una década de funcionamiento del acelerador de partículas CERN, los científicos hallaron una esquiva partícula que llevaban años persiguiendo: el bosón de Higgs, la llamada partícula de Dios y cuya gemela impregna todo el universo y dota la materia de masa. Su hallazgo supuso abrir una puerta a la comprensión del universo a una escala más pequeñas y de desvelar algunos de sus mayores misterios.
El descubrimiento confirmaba la predicción que habían formulado François Englert y Peter Higgs en 1964, un hito científico que concedió el Nobel de Física a Englert y Higgs. "Fue un hito monumental en la física de partículas. Marcó el final de un largo camino de investigación que duró décadas y el comienzo de una nueva era de estudios centrados en esta partícula tan especial", explica Fabiola Gianotti, directora general de European Organitation for Nuclear Research (CERN) y portavoz del experimento ATLAS en el momento del descubrimiento. Un camino que ya llevan recorriendo una década y que ha aportado mucho a este campo científico.
Este hallazgo inició una importante labor científica para investigar claves del universo como la energía y materia oscura , que juntas constituyen el 95 por ciento del universo. Uno de los motivos que evidencian la gran importancia de este descubrimiento es que "es que es una partícula que nunca se había visto en un detector", explica el investigador del IFIC y representante español de ATLAS Carlos Lacasta.
"Aunque estaba anunciado desde hacía mucho, sigue siendo algo realmente nuevo y necesitamos conocer sus propiedades. El segundo motivo es su propia historia. Se predijo en 1964 para resolver un problema que tenían los modelos teóricos a la hora de calcular los valores numéricos de los observables que podíamos medir en los experimentos. Introducir el bosón de Higgs permitía hacer esos cálculos. Ahora, había que encontrarlo y no iba a ser tarea fácil.”
La desintegración en partículas
Sin embargo, la desintegración del bosón de Higgs en partículas diminutas no fue observada por primera vez hasta el año 2018, y fue gracias a los detectores del Gran Colisionador de Hadrones (GCH) del CERN, el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo situado en Suiza.
Ahora, tras más de tres años parado, un equipo de investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) participa en la tercera fase de funcionamiento del Gran Colisionador de Hadrones. El pasado 22 de abril de 2022 dos protones comenzaban a circular en direcciones opuestas a través del anillo de 27 kilómetros del GCH con una energía de inyección de 450 mil millones de electronvoltios.
"No existe ningún acelerador a nivel mundial que llegue a esa energía controlada", explica Celso Martínez, investigador en el Grupo de Física de Partículas e Instrumentación del IFCA y representante del detector CMS en España.
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"De 2009 a 2012 se llevó a cabo la fase Run 1, cuando se descubre el bosón de Higgs, durante la que el LHC funcionaba con una colisión de 7 y 8 teraelectronvoltios (TeV). Luego se paró dos años hasta 2015, cuando empezó a funcionar con una colisión de 13 TeV, durante el periodo Run 2, de 2016 a 2018. A finales de 2018 se volvió a parar cuatro años. En verano de este año comenzará a funcionar con una energía de 13,6 TeV", explica Martínez.
¿Qué es el bosón de Higgs?
Para explicar por qué es tan importante el bosón de Higgs debemos acudir al Modelo Estándar de física de partículas, es decir, la mejor teoría que tienen los físicos actualmente para describir las piezas fundamentales del universo y las formas en que interactúan – aunque no incluye la materia oscura, que compone el 85 por ciento de la masa del universo.
Fue bautizado en honor al físico Peter Higgs que, junto a François Englert, explicó por qué algunas partículas no tienen masa pero otras sí. Su teoría se basaba en que un campo de energía del universo interactúa con las partículas de dos maneras diferentes: algunas, como los fotones, atraviesan el campo de Higgs a una velocidad continua, como si no encontrasen ningún problema, mientras que otras se quedan atrapadas en el campo, como si nadaran en alguna sustancia viscosa. Esta desaceleración es lo que genera la masa de esas partículas.
Tras décadas de búsqueda, la primera fase Run1 logró anunciar en 2012 que habían descubierto una nueva partícula parecida al bosón de Higgs, un hallazgo que se llevó el premio Nobel de Física en 2013. Hasta ahora, las observaciones de los físicos afriman que esta nueva partícula se comporta como el bosón de Higgs.
Una nueva etapa para la ciencia
Ahora, gracias a la reactivación del Gran Colisionador de Hadrones en este nuevo periodo, denominado Run 3, los investigadores del IFCA analizarán los datos de colisiones entre partículas que recoja el GCH. El gran número de colisiones que esperan registrar permitirá, entre otros avances, el estudio del bosón de Higgs con la mayor precisión posible. "Llevan ya unas semanas circulando partículas dentro del acelerador para ver que está todo bien", explica el investigador del IFCA.
Por tanto, se trata del inicio de un nuevo ciclo de recolección de datos físicos, que se extenderá durante los próximos cuatro años y cuyo comienzo está previsto para el próximo mes de julio.
"Nuestro objetivo es analizar los datos, ver nueva física, si es posible, y esto nos va a llevar varios años de aquí en adelante. Además, ahora tendremos que ir al detector CMS para analizar los datos", comenta Alicia Calderón, investigadora en el Grupo de Física de Partículas del IFCA.
Rumbo a los 13,6 billones de electronvoltios
Los detectores del acelerador comenzarán a “recoger datos de colisiones entre partículas a una energía récord y en cantidades nunca alcanzadas, y a ofrecer datos al equipo investigador”, explica Martínez. "En principio, el 4 de agosto de 2022 empezaría a colisionar".
Hasta esa fecha, la comunidad científica del LHC trabajará para volver a poner en marcha la maquinaria de manera progresiva y aumentar de forma segura la energía y la intensidad de las partículas, con el objetivo de producir colisiones a una energía récord de 13,6 billones de electronvoltios.
El gran número de colisiones que esperan registrar los científicos con este estudio permitirá no solo profundizar en el conocimiento sobre el bosón de Higgs, sino también someter al Modelo Estándar de física a las pruebas más estrictas realizadas hasta el momento.
“También se prevé el comienzo de dos nuevos experimentos, FASER y SND@LHC, diseñados para buscar física más allá del Modelo Estándar”, afirman los investigadores del CSIC.
“Además, el equipo investigador tiene otros objetivos para este nuevo Run 3, como el estudio de colisiones protón-helio para medir la frecuencia con la que se produce la antimateria de los protones en estas interacciones o el análisis de colisiones con iones de oxígeno. También ampliarán el conocimiento sobre la física de los rayos cósmicos y del plasma quark-gluón, un estado de la materia que existió poco después del Big Bang”, concluyen.
