El Gran Colisionador de Hadrones no ha descubierto nuevas partículas fundamentales desde que detectó el bosón de Higgs en 2012. ¿Por qué? ¿Hay deficiencias en los detectores, en las estrategias de búsqueda, en el acelerador mismo? ¿O simplemente lo que ya se conoce es todo lo que hay y con eso hay que trabajar? El proyecto Fondecyt recientemente adjudicado por Giovanna Cottin, académica de la Universidad Adolfo Ibáñez e investigadora joven de nuestro instituto, busca responder estas preguntas y proponer estrategias que permitan descubrir partículas elementales predichas y observar indicios de una nueva física que vaya más allá del modelo estándar.

Por Jorge Román

Imagen de portada: experimento Alice, en el Gran Colisionador de Hadrones. Créditos: Frank Weber, CERN. Fuente: Flickr.com

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es el acelerador de partículas más grande del mundo y la máquina más compleja jamás creada por el ser humano. Con sus 27 kilómetros de circunferencia, siete detectores (entre ellos el Atlas, el CMS y Alice) y una energía de colisión máxima alcanzada de 13 TeV (teraelectronvoltios), el LHC ha permitido confirmar la existencia del bosón de Higgs (una partícula fundamental teorizada por el modelo estándar) y detectar casi 60 nuevas partículas llamadas hadrones (aunque no son partículas fundamentales), entre muchos otros descubrimientos.

Pero incluso la máquina más grande y compleja creada por el ser humano quizás esté acercándose a sus límites en la resolución de los misterios de la física subatómica. De hecho, la última partícula fundamental descubierta fue el ya mencionado bosón de Higgs en 2012 (Charley, 2020), lo que ha obligado a la física a trabajar sobre otras hipótesis y nuevos métodos de búsqueda.

Precisamente a esto apunta el proyecto Fondecyt adjudicado por la académica de la Universidad Adolfo Ibáñez e investigadora joven de nuestro instituto, Giovanna Cottin. Su proyecto llamado «Searching for New Physics at the Lifetime Frontier» («Búsqueda de nueva física en la frontera de la vida media», como ella lo traduce) es decir, la búsqueda de partículas elementales predichas por teorías que van más allá del modelo estándar, partículas de larga vida media, capaces de viajar distancias macroscópicas dentro de los detectores del LHC u otros aceleradores de partículas, lo que las hace generar señales muy exóticas.

«Búsqueda de nueva física en la frontera de la vida media» es el título del proyecto Fondecyt adjudicado por la académica de la Universidad Adolfo Ibáñez e investigadora joven del Instituto Milenio Saphir Giovanna Cottin. Su objetivo es caracterizar las señales que podrían estar emitiendo las partículas elementales teorizadas (pero aún no descubiertas) y, de esta forma, dar claves sobre cómo buscarlas, ya sea a través de aceleradores de partículas y detectores existentes, o a través de tecnologías en desarrollo.

Como explica Cottin, «aún no hemos visto nueva física, por ende uno puede hacerse la pregunta ¿por qué?». Según ella, hay varias formas de responder esta pregunta: puede faltar energía para producir partículas masivas que no se han descubierto; puede ser que los detectores carecen de la precisión suficiente; o puede ser que estas partículas tengan propiedades especiales que hacen a sus señales demasiado exóticas para lo que se está esperando detectar. Esta última es la hipótesis en la que se enmarca el proyecto de Cottin: «Yo pretendo caracterizar algunas de estas señales para entender hasta qué punto los modelos que predicen estas partículas pueden ser plausibles o no».

Este proyecto forma parte de la investigación de frontera a nivel internacional: «La comunidad internacional está súper activa en caracterizar búsquedas de nueva física en esta nueva frontera», dice Cottin. Su proyecto se enfoca específicamente en leptones neutros pesados, como nuevos neutrinos pesados con largas vidas medias. También le interesa caracterizar hasta qué punto el LHC puede acceder a espacios de parámetros inexplorados en estos modelos considerando que estas partículas tengan vidas medias.

La ventaja de investigar en la frontera de la vida media, explica Cottin, es que la búsqueda de estas nuevas partículas puede hacerse explorando la frontera de la energía o la frontera de la intensidad. ¿Por qué? Porque las partículas elementales que proponen estos nuevos modelos parecen ser demasiado pesadas para que puedan ser generadas en los aceleradores de partículas en funcionamiento. Entonces, para detectarlas, sería necesario construir aceleradores de partículas que alcancen energías cercanas a los 100 TeV (el LHC, actualmente, colisiona protones a 13 TeV).

En la foto: uno de los túneles donde se ubica el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Aunque este acelerador de partículas kilométrico ha revolucionado la física, aún no da indicios sobre una nueva física que permita explicar las anomalías del modelo estándar. Detectar nuevas partículas elementales y nuevos fenómenos subatómicos quizás requiera la construcción de nuevos experimentos en el LHC, el uso de otros aceleradores de partículas o la construcción de una especie de LHC mejorado, capaz de alcanzar energías nueve veces más grandes que las que alcanza el LHC en la actualidad. Créditos de la imagen: Mike Procario. Fuente: Flickr.com.

Sin embargo, hay otra alternativa: romper la frontera de la intensidad. Cottin explica que hay propuestas de nuevos colisionadores lineales que se enfocan no en alcanzar grandes energías, sino en mejorar la precisión a través de la acumulación de datos, generando una gran cantidad de colisiones. Esto se puede hacer en aceleradores lineales o en colisionadores de electrones y positrones, sin necesidad de alcanzar energías superiores a las del LHC.

También hay propuestas de nuevos experimentos que podrían incorporarse al mismo LHC. Por ejemplo, el proyecto Mathusla o el el detector Faser, que estarían en la superficie, sobre el anillo del LHC, y serían capaces de detectar partículas de larga vida media que se producen en los experimentos del LHC y escapan de la detección en los experimentos subterráneos.

Lo que busca Cottin es desarrollar e implementar —desde el punto de vista fenomenológico— estrategias que permitan buscar estas partículas de larga vida media ya predichas en modelos teóricos sólidos. «¿Por qué no estamos viendo la nueva física?», se pregunta Cottin. «A lo mejor hay características intrínsecas de estas partículas elementales nuevas que no han sido tan estudiadas […] y eso tiene consecuencias experimentales, consecuencias fenomenológicas: entender hasta qué punto se pueden producir estas partículas». «Aún queda espacio para entender qué predicciones de nueva física pueden ser puestas a prueba con la potencial detección de partículas de larga vida en el LHC y otros experimentos futuro», concluye la investigadora.

Lo que no se sabe es si las partículas elementales predichas existen —pero los experimentos o las estrategias actuales no han podido detectarlas todavía— o si simplemente se está persiguiendo una quimera. Cualquiera de las dos posibilidades son fascinantes y abren nuevas —y desafiantes— puertas al mundo de la física subatómica.