La máquina de descubrir

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En el extremo del segundo piso del pabellón uno, al final de un pasillo muy silencioso, está “Siberia”, un grupo de oficinas que habitan los investigadores Ricardo Piegaia y Gustavo Otero Y Garzón. Desde ese rincón en el sur del mundo están conectados al Gran Colisionador de Hadrones (LHC según sus siglas en francés e inglés), el acelerador de partículas más potente del mundo.

Los investigadores desarrollan sus actividades dentro de un consorcio internacional, el laboratorio que recrea las condiciones imperantes luego del Big Bang: el CERN. El Centro Europeo de Investigaciones Nucleares es el único responsable en hacer funcionar el acelerador y las universidades deben construir los detectores de partículas, operarlos, analizar los datos y publicar la física que se produce. Argentina es uno de los 37 países que integran el proyecto a través de la UBA y la Universidad de la Plata.

“Ninguna universidad puede tener un colisionador propio en el sótano o en el techo, aunque hubo una época en que los proyectos fueron nacionales, ahora no podrían concebirse de ese modo, nadie puede hacerlo solo. El laboratorio y la gran máquina exceden las fronteras, por ejemplo, los 27 kilómetros que suma el túnel donde circulan las partículas atraviesa Suiza y Francia. Es el más grande del mundo, aunque hay otros colisionadores, para partículas y energías diferentes”, dice Piegaia, el científico cuyo trabajo en el Observatorio Pierre Auger fue considerado por la revista Physics World como uno de los diez grandes avances en Física de 2017.

Miles de investigadores de todo el mundo trabajan conectados a la gran red del CERN, aunque los físicos argentinos reconocen que cuando pueden pasar tiempo en las instalaciones del laboratorio en Ginebra logran avances significativos: “Como parte del consorcio tenemos tareas asignadas que debemos cumplir y llevar a cabo; cada grupo, en función del número de miembros que posee le corresponde un tipo de actividades. Por eso, tener la posibilidad de interactuar con quienes trabajamos todos los días, o con el experto que te ayuda a resolver problemas, es una gran ventaja; a veces, sin esa cercanía se hace más difícil. Además, Ginebra es la ciudad más cara de Europa, por lo que la logística es complicada, pero la idea es poder pasar allá el mayor tiempo posible. Nuestros estudiantes de doctorado van como máximo una vez por año para estadías de hasta dos meses, siempre y cuando los recursos lo permitan”.

Dame precisión te daré partículas

“El colisionador es una fábrica de partículas, la mejor que hay en este momento. Y, lo logra haciendo desaparecer energía para fabricar masa, a la inversa de un reactor nuclear”, ejemplifica Piegaia y aclara que entre las partículas que aparezcan, esperamos que no sean solo las previstas por el Modelo Estándar, que ya fueron encontradas, sino también aquellas que correspondan a nueva física. “Sin embargo, también buscamos precisión, tratamos de entender la estructura de la materia a distancias cada vez más pequeñas haciendo chocar partículas a mayor energía”.

Para poder experimentar de manera controlada con altas energías se diseñaron aceleradores, un tipo especial es el ciclotrón -o circular- donde haces de partículas se mueven por la fuerza electromagnética que ejercen los imanes. El primero fue inventado en 1930 por Ernest Lawrence con un costo de 25 dólares; el último y más colosal es el LHC y costó alrededor de diez mil millones de dólares. Es una megamáquina que provee de colisiones de protones a los cuatro detectores situados alrededor del anillo: ALICE, LHCb, CMS y ATLAS. Todos ellos funcionan de un modo similar, aunque sus tecnologías diferentes permiten favorecer algunas medidas concretas sobre otras y, así, lograr evidencias independientes de cualquier nuevo descubrimiento.

“Cada experimento tiene un propósito predominante, por ejemplo, ALICE (A Large Ion Collider Experiment) busca el estado de la materia que se cree existió en las primeras fracciones de segundo después del Big Bang; se investiga cómo reproducir ese estado original que ya no existe. Por otro lado, LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment, donde "beauty" se refiere al quark bottom), se especializa en violación de simetría CP en las desintegraciones de hadrones que contengan dicho quark o la medida de precisión de las fracciones de desintegración -branching ratios-  de algunos procesos extremadamente infrecuentes. Y, tanto ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) como CMS (Compact Muon Solenoid) fueron hechos para explorar un rango de energías más alto, podríamos decir que son dos experimentos que compiten entre sí”, dice Otero.

Gran parte del trabajo de los investigadores y de los doctorandos se engloba en la medición de precisión, son capaces de explorar entre decenas de decimales en busca de diferencias que pueden parecer sutiles pero no lo son. “En el área de Higgs -ejemplifica Otero- los resultados obtenidos experimentalmente y los predichos por el modelo estándar tienen a veces diferencias por una cuestión estadística y, en el caso de ciertos observables, una medicion de precision se lograría solo si acumulamos datos durante una década más”.

El detector ATLAS contiene cien millones de canales independientes, cada uno de ellos detecta información de 40 millones de colisiones por segundo, todos los días del año. Los programas que desarrollan para la toma de datos seleccionan automáticamente mil de esos choques por segundo -a través de complejos algoritmos- y el resto de la información se pierde para siempre. “Los eventos que resultaron ser interesantes se guardan en discos rígidos para el análisis detallado, otros programas analizan los datos guardados. Creo que el 95 por ciento del trabajo de un físico experimental de altas energías es desarrollar programas; ese es uno de los grandes desafíos que tenemos,  la masividad de datos genera varios problemas”.

“El Modelo Estándar predice, por ejemplo, que en un choque protón-protón se puede producir un quark para un lado y un fotón en una dirección diferente, con una cierta frecuencia. Una desviación respecto a esta predicción sería evidencia de la existencia de una partícula X, hasta ahora desconocida. En ese sentido, una de las últimas publicaciones fue la búsqueda de un exceso de quarks+fotones pero obtuvimos resultados negativos, o sea no encontramos evidencia de nueva física. Analizando en detalle los modelos teóricos pudimos afirmar entonces que si existiese X, su masa debería ser superior a una cierta cota MX. Si su masa fuera menor, ¡la hubiésemos observado! Es decir, aunque la búsqueda no tuvo éxito el resultado es preciso y cuantitativo, de ahí la importancia en el desarrollo de técnicas estadísticas refinadas que permitan analizar mejor los datos y correr los límites”, explica Piegaia.

Otero Y Garzón comenta que sus investigaciones abarcan áreas de nueva física y tecnología específica de los detectores: “en este momento trabajamos en procesos de choque de dos quarks que producirían una partícula mediadora de materia oscura; esto se vería como un exceso de la predicción del Modelo Estándar en eventos con tres jets. Por otro lado, publicamos estudios inherentes al detector, son papers muy técnicos del conjunto de subdetectores, como el calorímetro y su calibración entre una señal y lo que la originó, no es un trabajo trivial, requiere de mucho tiempo. Por ejemplo, DZero es un experimento del Laboratorio Fermilab, la calibración de su calorímetro tardó casi una década en transformarse en una publicación de 150 páginas. Hoy en día, uno de los estudiantes del equipo es editor responsable de la calibración del calorímetro con datos de los últimos tres años”.

Ante la pregunta de cuándo un hecho es considerado interesante, los físicos ejemplifican con la especialidad del grupo de Buenos Aires: la producción de jets, la señal experimental de quarks y gluones (las partículas intermediarias de la fuerza fuerte, así como los fotones intermediarían el electromagnetismo). Eventos con solo dos jets son muy comunes y solo se guardan unos pocos, salvo que se trate de jets de las más altas energías. Eventos con producción de tres o cuatro jets son más interesantes y se guarda una fracción mayor, mientras que aquellos con más de cuatro jets son muy esporádicos y se guardan en su mayoría pues pueden corresponder a la producción de partículas supersimétricas. En el otro extremo, los eventos monojets resultan los más interesantes, ya que puede tratarse de un fenómeno con materia oscura. Siendo menos entusiastas, reconocen que puede tratarse de neutrinos, pero es necesario guardarlos de todas maneras para investigarlos en detalle.

“Los detectores funcionan en un régimen que cambia día a día, por lo que las condiciones en que se hicieron hace una década ya no son óptimas, además de la degradación de uso, tienen una vida útil. Para 2024 va a haber un cambio severo en las condiciones de funcionamiento del acelerador que requiere que los detectores se amolden. Entonces hace varios años ya que estamos trabajando en el upgrade de ATLAS. La tecnología va hacia el gigantismo, pero también hay mucho dinero invertido en el desarrollo de tecnologías más eficientes que gigantes”, concluye Piegaia.

Los jets son la manifestación experimental de los quarks y los gluones. Midiendo la dirección y la energía del jet, se conoce la energía del quark o el gluón que lo produjo.