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  • 16/01/2018

Física de altas energías

Un experimento remozado para confirmar (o rechazar) los indicios de nueva física

Mediante las colisiones de electrones y positrones se van a buscar partículas desconocidas y se investigarán los problemas que presenta el marco teórico de la física.

Nature News

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Belle II [KEK/Belle II].

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LHC LHC

Para muchos, el LHC, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, es sinónimo del descubrimiento del bosón de Higgs. Sin embargo, este acelerador de partículas está arrojando luz sobre muchas otras cuestiones igualmente fundamentales. Descubre en este monográfico la historia del hallazgo del bosón de Higgs y la manera en que el LHC puede contribuir a encontrar una nueva física.

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La exploración de las fronteras de la física va a reactivarse el mes que viene en Japón, cuando haces de electrones de alta energía empiecen a chocar contra sus análogos de antimateria en uno de los laboratorios de aceleradores de partículas más importantes del mundo. El experimento, llamado Belle II, pretende captar raros pero prometedores indicios de nuevos fenómenos que extenderían el modelo estándar, la teoría física, triunfante pero incompleta, que describe la materia y las fuerzas.

En febrero, un acelerador de la Organización de Investigaciones en Altas Energías con Aceleradores (KEK), en Tsukuba, empezará una tanda semestral de colisiones. El objetivo final es describir con gran precisión las desintegraciones de los mesones B, partículas que contienen un componente fundamental de la naturaleza, el quark b (esa b vale por «bello» o por «fondo», bottom en inglés).

El experimento ampliará las observaciones de los mesones B efectuadas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cercano a Ginebra. En ambas instituciones se anda tras la sutil influencia que cualquier partícula o proceso nuevos puedan tener en las formas que tienen partículas conocidas de desintegrarse en otras. Los físicos del CERN vieron algunos signos merecedores de atención de que quizá se habían producido desviaciones con respecto al modelo estándar, algunos de ellos en 2017. La agitación suscitada por estos resultados ha despertado el interés de los teóricos de Belle II y movido a nuevos grupos a unirse a esa investigación internacional, dice Tom Browder, físico de la Universidad de Hawai en Manoa y portavoz del experimento que se va a realizar en Japón.

Una física más limpia

Las colisiones serán en el experimento Belle II más limpias y precisas que en el experimento del LHC, denominado LHCb. La razón estriba en que en el LHCb chocan protones, que están compuestos por tres partículas fundamentales, llamadas quarks, lo que da lugar a colisiones muy embrolladas. Pero Belle II lanzará electrones contra positrones, partículas ambas que son fundamentales, así que no se fraccionan más. El experimento podrá estudiar desintegraciones donde participan neutrinos, siempre escurridizos, y fotones, que en el LHCb resultan difíciles de investigar. Así es posible que se encuentren huellas de partículas hipotéticas: versiones cargadas del bosón de Higgs (que se descubrió en el LHC en 2012) o axiones, que serían una forma de materia oscura que solo interaccionaría con la materia muy débilmente, dice Browder. «No cabe duda de que hay competencia entre los dos, pero también complementariedad».

El colisionador que alimenta de partículas al experimento Belle II comprimirá los conjuntos de partículas en haces muy estrechos, de solo 50 nanómetros de ancho, avance que conducirá a un ritmo de las colisiones 40 veces mayor que el de su predecesor en el KEK. Servirá para explorar grandes cantidades de unas partículas exóticas descubiertas recientemente, compuestas por cuatro o cinco quarks, a las que se llama tetraquarks y pentaquarks, respectivamente, y permitirá que se rastreen las raras desintegraciones de quarks b en busca de cualquier preferencia, por ahora desconocida, por la producción de materia o de antimateria. A los físicos les será posible explorar los sugerentes signos de una física más allá del modelo estándar, teoría verificada una y otra vez por los experimentos desde los años setenta, pero que no explica la gravedad ni múltiples otros misterios, como el que haya mucha más materia que antimateria.

Los experimentos con colisionadores producen surtidores de muchas partículas que viven solo una parte minúscula de un segundo antes de desintegrarse en otras partículas. En un puñado de desintegraciones, en las que ciertos mesones B se desintegran en electrones y sus parientes más pesados, los muones y tauones, el LHCb ha visto partículas que se producían a un ritmo inesperado. Aunque cada hallazgo podría ser fácilmente una fluctuación, es en conjunto como han despertado el interés, explica Giovanni Passaleva, físico del Instituto Nacional de Física Nuclear, en Florencia, y portavoz del experimento LHCb. Apuntan, en líneas generales, a la misma dirección, y expanden hallazgos similares de dos experimentos anteriores: la Colaboración BaBar, del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, en Menlo Park, California, y el propio predecesor de Belle II en el KEK, añade. «Parece como si hubiese alguna correlación en esas desviaciones, que las hace más interesantes que otras».

Ponerse a la altura en fecha prevista

Sin embargo, Belle II tendrá que ponerse a la altura del LHCb, cuyo acelerador produce más mesones B y lleva funcionando desde 2009. Una vez que el programa de física esté en marcha por completo en 2019, el ritmo de las colisiones de Belle II irá aumentando poco a poco; le llevará alrededor de un año reunir datos suficientes para competir con el LHCb. Mientras, el LHC tomará datos desde mayo hasta su parada, tras la que se le realizarán mejoras importantes, en noviembre; en ese momento debería ya haber visto suficientes desintegraciones para disipar la posible señal o para convertirla en un verdadero descubrimiento. «Nuestra esperanza es que consigamos que la máquina y el detector trabajen suficientemente deprisa para que les hayamos alcanzado para entonces», explica Browder.

La carrera por cantar el descubrimiento dependerá de qué desintegraciones resulten ser las más reveladoras, dice Browder. Pero aunque el LHCb llegue primero, la confirmación de una nueva física por Belle II sería «absolutamente esencial», comenta Passaleva. Con las diferencias entre los dos experimentos, Belle II ayudaría a los físicos a entender cualquier nueva interacción y descartaría definitivamente el error experimental. «Entonces estaremos seguros de que hay realmente nueva física, ya que la habrá visto un experimento completamente diferente en un entorno completamente diferente», dice.

Elizabeth Gibney / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

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