Las investigaciones que se realizan en el área de partículas elementales o de altas energías tienen como objetivo principal conocer el origen y constitución de la materia en el universo y el universo mismo. Para saber cómo están hechas las cosas, cómo se formaron, cómo surgió todo lo que nos rodea, se necesita conocer las propiedades de lo más pequeño que constituye la materia. Recordemos que hasta hace menos de un siglo se pensaba que los constituyentes básicos de la materia, eran los átomos, por ello se le dio ese nombre (átomo: sin división). Posteriormente, se descubrió que existían otras partículas aún más pequeñas que formaban esos átomos, como lo son los neutrones, protones y electrones. Más adelante se comprobó que los mismos protones y neutrones estaban constituidos por algo aún más pequeño, que en la actualidad se le conoce como quark (ver figura 1).
¿Cómo se llegan a observar los constituyentes de la materia cada vez más pequeños? Esto se logra a través de choques de haces de partículas. En estos choques se destruyen las partículas y se rastrean los productos de estas colisiones por medio de dispositivos electrónicos sofisticados, llamados sistemas de detección o simplemente detectores. Identificando los tipos de partículas originadas en esos choques, la cantidad de ellas, sus distribuciones con respecto al espacio, a la energía y realizando muchas otras mediciones, es como podemos conocer lo que existe adentro de las partículas de los haces originales. De estas mediciones surgen algunas teorías que tratan de explicar los resultados obtenidos. Posteriormente se ponen a prueba estas teorías, confrontándolas con los resultados de otros choques. Así se puede verificar o rechazar alguna teoría en particular. Si es rechazada se propone alguna mejora o cambio; si se verifica entonces entendemos un poco más sobre las leyes de las partículas elementales.
El Centro Europeo para la Investigación Nuclear o CERN, ubicado en Suiza, es uno de los laboratorios de investigación más importantes en el mundo. Ha dado aportaciones al conocimiento de la estructura básica de la materia y de las fuerzas fundamentales. Entre los más importantes descubrimientos que ha logrado, están: el descubrimiento de las corrientes neutras (la corriente neutra es la interacción entre partículas elementales sin carga eléctrica) en las interacciones débiles (1973), la detección de los bosones W y Z (estos bosones son los mediadores de la interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Por ese descubrimiento dieron el Premio Nobel a Carlo Rubbia y a Simon Van der Meer en 1984), la determinación del número de componentes elementales de la materia y la exhaustiva comprobación del Modelo Estándar (teoría que explica las propiedades de la materia y sus interacciones) en los experimentos realizados con el LEP (“Large Electron Positron collider”), que comenzaron en 1989 y se prolongaron en el tiempo más de una década. En 1992, el Nobel fue para Georges Charpak del CERN "por la invención y el desarrollo de detectores de partículas. En particular, la cámara proporcional multialámbrica". Quizá el impacto social más evidente y extraordinario que ha tenido el CERN es en el desarrollo de la “World Wide Web”. Esta red inventada por el físico británico Tim Berners-Lee es, sin duda, un logro fundamental por su trascendencia en la cultura y desarrollo de nuestra sociedad.
Actualmente, el acelerador principal del CERN es el LHC (por sus siglas en inglés “Large Hadron Collider”). Es un acelerador y colisionador de partículas en un túnel circular de 27 km de circunferencia ubicado a 60 metros bajo tierra (véase figura 2), el cual fue diseñado a partir del LEP para colisionar haces de protones y núcleos de plomo desde 7 TeV de energía[1], siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar. Dentro del colisionador, dos haces de partículas son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar casi la velocidad de la luz que al chocar a altísimas energías (aunque a escalas subatómicas), permiten recrear muchos de los eventos ocurridos en el nacimiento del universo o de la Gran Explosión.
Gracias al LHC se logró el descubrimiento del bosón de Higgs en el verano de 2012, galardonando por ello con el premio Nobel de Física a los Dres. Higgs y Hebern en el 2013. En el texto donde se dice el motivo por el cual se les otorgó el Nobel, se mencionan dos de los 4 experimentos principales del LHC que identificaron esta partícula: CMS y ATLAS (los otros dos experimentos son ALICE del cual hablaremos más abajo y el LHCb).
¿Qué importancia tiene el descubrimiento del bosón de Higgs? Las cosas están hechas de algo que llamamos masa (cantidad de materia). La masa, a su vez, está conformada de átomos y los átomos de partículas más fundamentales. ¿De dónde vinieron? A partir de teorías físicas se predijo que éstas se formaron cuando nació el Universo, en el fenómeno conocido como Gran Explosión. De esas mismas teorías se explicaron muchos fenómenos como lo que es la luz, la electricidad y el magnetismo. Con cada comprobación experimental de estas teorías se tuvo la confianza de que la teoría que explicaba la formación de la masa en el Universo iba por buen camino. Faltaba sólo comprobar una cosa, la teoría postulaba que las partículas se formaron a inicios del nacimiento del Universo, pero no tenían masa (ejemplo, la partícula de luz, llamado fotón, no tiene masa). Sin embargo, la teoría explicaba que éstas adquirían masa (como el electrón), al interaccionar con un campo llamado de Higgs. Si ese campo existe, debe existir a su vez una partícula asociada a él llamada bosón de Higgs. Después de casi 50 años (la existencia de la partícula se postuló en 1964), esta partícula fue descubierta, verificando así que el Modelo Estándar es y sigue siendo la teoría más exitosa para entender la física de las partículas elementales.
El descubrimiento del bosón de Higgs es uno de los grandes éxitos del CERN. Sin embargo, existen muchas otras investigaciones que también se están desarrollando. El experimento ALICE tiene también un gran impacto en la investigación de las partículas elementales, ya que busca prácticamente responder a la pregunta ¿de qué está hecha la materia? Aunque quizá esto no sea de tan gran impacto público y social como lo fue el bosón de Higgs, la comunidad científica internacional de altas energías está al pendiente de los resultados que ALICE consigue en su programa de actividades en el LHC. El principal objetivo de ALICE es la identificación de un nuevo estado de la materia donde sus constituyentes básicos, los quarks y los gluones[2], están libres por tiempos infinitamente cortos. Este estado de la materia se le conoce como el plasma de quarks y gluones (QGP) y se forma en las colisiones entre núcleos atómicos pesados a altas energías.
La manera más evidente de ver que alguna investigación es apreciada y seguida por la comunidad científica es por el número de citas que tiene el artículo publicado de esa investigación. En la producción científica del LHC los 5 primeros artículos más citados según el sistema ISI (“Institute of Science Information”, uno de los buscadores electrónicos que, como Scopus, mantiene un seguimiento de artículos que citan otros artículos) son en referencia al bosón de Higgs. Los dos primeros tienen más de ochocientas citas a partir del 2009, los siguientes tres más de doscientas.
En cambio, del sexto al octavo lugar de los artículos más citados pertenecen al experimento ALICE. En los tres artículos se estudian los resultados entre haces de plomo a una energía (raíz cuadrada de Snn) de 2.76 TeV. Esto quiere decir que se inyectaron al acelerador haces de iones o núcleos de plomo, es decir, átomos de plomo sin electrones. Para conseguir plomo sin electrones, primero se evapora una muestra de plomo metálico en un horno y posteriormente por medio de corrientes eléctricas se van separando los electrones de los núcleos. Por otra parte, la energía que se menciona proviene de la suma algebraica de las energías de los haces. La raíz cuadrada de Snn sólo significa que es la energía medida en el centro de masa del sistema: si dos autos van a chocar de frente y cada uno viaja a 50 km por hora, cada auto ve al otro que va en contra de él a 100km por hora, pero alguien parado en el centro de masa de este sistema, es decir, en el punto donde chocarán, verá a ambos autos viniendo a 50km por hora. La variable Snn se usa en física de partículas para entender en qué sistema de referencia se está trabajando. Veremos a continuación de qué hablan los primeros dos de estos tres trabajos.
Artículos más citados de ALICE
El artículo ubicado en la sexta posición [1] tuvo en 2010 cero citas (fue publicado a fines del 2010), en 2011 tuvo 47, en 2012 tuvo 82; en el 2013 tuvo 64 y en el 2014 tuvo 81. Esto da un promedio de 68.5 citas por año. La investigación escrita en este artículo consistió en medir el flujo elíptico de las partículas cargadas a ciertas energías de colisión.
El flujo elíptico, también llamado parámetro v2, es una de las señales que verifican si se creó o no el plasma de quarks y gluones en las colisiones entre haces de iones. Este flujo es una medida de qué tan asimétrica es la distribución de partículas o su flujo de energía sobre un cono imaginario trazado en torno a la dirección del haz[3]. En el artículo se estudió el flujo elíptico en colisiones no centrales, es decir, donde los núcleos no colisionan completamente de frente (ver figura 3) y sólo parte de ellos llegan a tocarse. Esta zona de colisión, donde los núcleos se tocan, tiene forma de almendra y, por tanto, carece de simetría esférica. Esta asimetría inicial de la colisión, aunado a las interacciones múltiples entre los constituyentes de la materia creada (QGP), ocasiona una distribución asimétrica en el flujo de energía que emana de la colisión, que puede medirse con el flujo elíptico. A su vez, el flujo elíptico nos da información sobre la respuesta de las partículas del sistema a las condiciones iniciales y sensibles del propio medio caliente y fuertemente interactuante formado en la colisión.
Ahora bien, la importancia del artículo mencionado es que reporta un aumento en el flujo elíptico del 30% en comparación con las mediciones realizadas previamente en el acelerador RHIC (“Relativistic Heavy Ion Collider”), el que realiza choques de haces de oro a una energía de 200 GeV, que es menor a las energías del LHC. Por tanto, gracias a ALICE se pudo verificar este incremento del flujo elíptico reportando sus resultados en este artículo. Así, ALICE contribuyó a la investigación de la formación del QGP y a la verificación o no de los modelos hidrodinámicos que intentan reproducir la medición del flujo elíptico.
El artículo en la posición 7 [2] tuvo en el 2011, 63 citas; en el 2012, 80 citas; en el 2013, 54 citas y en el 2014, 30 citas. Esto nos da un promedio de 57 citas por año. Este artículo es el resultado de una investigación donde se midió la distribución de partículas cargadas que surgieron de las colisiones entre haces de núcleos de plomos tanto para colisiones centrales como periféricas. Estos resultados se compararon con los que surgieron de colisiones entre protones (p), a las mismas energías pero multiplicados por un factor que mide el número de colisiones pp serían equivalentes en promedio a una colisión entre núcleos de plomo. Si dos núcleos de plomo chocan, hay muchas colisiones entre cada neutrón o protón de un núcleo con un protón o neutrón del otro núcleo. Esto es como si tuviéramos, en un mismo choque, varios protones colisionando. Esto se toma en cuenta a través de un parámetro llamado RAA (factor de modificación nuclear)[4]. RAA mide qué tan parecida es la producción de partículas en colisiones entre un protón o neutrón, de un núcleo atómico con un protón o neutrón de otro núcleo en comparación con las colisiones entre protones libres.
En el análisis de este artículo, RAA es igual a 0.7 para colisiones periféricas, lo que indica que hay un efecto débil del medio. RAA resultó ser de 0.14 para colisiones centrales. Por tanto se verifica la existencia de una disminución de este valor para colisiones más energéticas, lo que supone que algo pasa en el medio interno que se forma en el choque de haces que provoca este efecto.
RHIC encontró una supresión de 4 a 5 veces del valor RAA comparado con colisiones entre protones. La explicación fenomenológica es a través del mecanismo conocido como fragmentación y esta disminución se atribuye a la pérdida de energía de los quarks al atravesar un medio caliente y denso. Como en el LHC se espera un medio más denso, ya que la energía es mayor (2.76 TeV), se esperaba una pérdida de energía aún mayor.
Para hacer comparaciones a energías del LHC, no existiendo mediciones de colisiones de protones a 2.76 TeV, se estimó la producción de partículas a partir de mediciones existentes de ALICE a energías más bajas y más altas (de 0.9 y 7 TeV). Una segunda estimación se obtuvo también de las mediciones del CDF[5] en Fermilab a energías de 1.96 TeV. Los resultados mostraron en efecto una disminución en el LHC mayor a la de RHIC, confirmando que, debido a la existencia de un medio más denso, se produjo una pérdida de energía mayor de los quarks en el LHC.
México en ALICE
Los tres artículos (el tercero pueden ver la referencia [3]) mencionan algunos sistemas de detección que integran ALICE como esenciales para haber obtenido sus resultados. Entre estos sistemas se encuentra el conocido como VZERO, que está formado por dos detectores llamados V0A y V0C. Para estos artículos la participación del VZERO fue esencial para poder calcular la centralidad del evento a partir de las amplitudes de las señales. Asimismo, se le utilizó para dar una señal de disparo rápida a los demás sistemas. Además de esto, en el segundo artículo se requirió del trabajo del VZERO para la eliminación de ruido o eventos no producidos por colisión de los haces. Esto lo hace a través de la información temporal que provee y de la coincidencia con ambos subsistemas de este detector: A y C. Se quiso resaltar el trabajo de este sistema en los tres artículos debido a que un grupo de científicos mexicanos tuvo la responsabilidad de proponer, diseñar, construir y montar el V0A dentro de ALICE.
Debido a nuestra gran dedicación y trabajo pudimos lograr la asignación y la responsabilidad de la construcción de dos sistemas de detección para ALICE que se llamaron V0A y ACORDE. Esta responsabilidad la tuvimos desde el 2005 teniendo mucho éxito ya que ambos sistemas de detección fueron planeados, diseñados y construidos en México para luego ser incluidos en ALICE donde actualmente están en funcionamiento y realizan tareas muy importantes para el gran éxito que se ha tenido en el desarrollo de ALICE con el LHC (en la figura 4 se puede ver a la colaboración internacional y el detector ALICE, atrás en rojo). El primer sistema de detección V0A es un detector hecho de centelladores y fotomultiplicadores que tiene como tarea dar la señal de disparo primaria a todos los demás sistemas de detección, además de contribuir a localizar el punto exacto de interacción de los haces, es decir, la centralidad del choque. Además, contribuye a conocer la multiplicidad de cada interacción (es decir, la cantidad de partículas generadas resultante de esos choques) y el rechazo de choques no válidos como los producidos por el haz de partículas y moléculas de gas. ACORDE, por su parte es un detector de rayos cósmicos, su tarea es, antes de las interacciones, poner a prueba el buen funcionamiento de otros sistemas y, durante las interacciones, a discernir entre eventos que provienen de la colisión de los haces y los generados por las interacciones de los rayos cósmicos.
Con el LHC, el acelerador de partículas más grande del mundo, el CERN realiza muchas investigaciones en el área de la física de altas energías. Aquí sólo se habló brevemente del éxito más reciente que tuvo, el descubrimiento del bosón de higgs, y sobre todo se trató de mostrar, a través de los resultados más impactantes de ALICE, el interés mundial de la comunidad científica por los descubrimientos que se llevan a cabo sobre las leyes de los constituyentes básicos de la materia.
Hay muchas más investigaciones importantes e interesantes que se realizan en el CERN: antimateria, materia oscura, supersimetría, entre otras, las cuales involucran a muchos científicos de todas partes del mundo. México no es la excepción. Hay muchos grupos trabajando en otros experimentos no sólo del CERN sino de otros aceleradores en otros países. Es y seguirá siendo importante para nosotros seguir participando en esta clase de proyectos para seguir en la vanguardia de la investigación de las partículas elementales.
Para saber más del CERN, el LHC y el experimento ALICE:
http://user.web.cern.ch/user/Welcome.asp
http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter1/results.html
http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter1/newsppb2013.html
http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter1/results-pPb.html
Montaño, L. 2008 ¿Es peligroso el acelerador LHC del CERN?, Avance y Perspectiva, 1(2): 106-115.
Para saber más del bosón de Higgs:
Montaño, L. 2012 El Bosón de Higgs, error llamarla partícula de Dios, Revista Zócalo, Diciembre 2012, Año XIII, Núm. 154, Pags. 70-71. www.revistazocalo.com.mx
http://public.web.cern.ch/public/en/Science/Higgs-en.html
Los artículos más citados en ALICE:
[1] “Elliptic flow of charged particles in Pb-Pb collisions at SQRT(Snn)=2.76TeV”. Phys. Rev. Lett. 105 (2010) 252302.
[2] ”Suppression of charged particle production at large transverse momentum in central Pb-Pb collisions at SQRT(Snn)=2.76TeV”. Phys. Lett. B696 (2011) 30-39.
[3] “Higher harmonic anisotropic flow measurements of charged particles in Pb-Pb collisions at SQRT(Snn)=2.76TeV”. Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 032301.
Dr. Luis Manuel Montaño Zetina
Es miembro de la planta académica del Departamento de Física del CINVESTAV desde 1998. Sus líneas de investigación en el área experimental son: Física de Altas Energías, Instrumentación y Física Médica. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias desde el 2007 y del Sistema Nacional de Investigadores nivel II. Participa en la colaboración mexicana en el proyecto ALICE del LHC en el CERN desde 1999.
[1] Un TeV significa un Tera electron Volt, es decir, billones de electroVolt o eV. Un eV es la unidad de energía más usada en partículas y equivale a la energía que tiene un electrón cuando está bajo una diferencia de potencial de un volt.
[2] Los gluones son las partículas que intervienen en la fuerza fuerte entre los quarks.
[3] En particular, el flujo elíptico mide el segundo momento de la distribución azimutal, en un plano perpendicular a la dirección del haz, de los momentos transversos de partículas cargadas. En el artículo se estudiaron momentos de 0.2 a 5 GeV/c.
[4] El factor RAA se define como el número de partículas producidas en colisiones de protón (neutrón)-protón (neutrón) que tomaron lugar en un choque de haces de iones dividido entre el número de partículas producidas en una colisión entre haces de protones, este último multiplicado por un factor que toma en cuenta el número de colisiones protón-protón que toman lugar en una colisión entre núcleos de plomo.
[5] "Collider Detector at Fermilab" es un experimento del acelerador llamado Tevatron, cerca de Chicago, EUA.