El investigador posdoctorante del Instituto Milenio Saphir Pedro Urrejola habla sobre lo que le apasiona de la física de partículas y sobre los objetivos de su investigación. Cuenta que, para descubrir nuevas partículas y extender el modelo estándar, no basta con tener más y mejores detectores: también se deben mejorar las herramientas de análisis como softwares y algoritmos de reconstrucción.

Por Pedro Urrejola

Imagen de portada: “Cosmic rays and comets”, de William Hanlon; fuente: Flickr.com

Como físico de partículas, una de las cosas que más me apasiona es comprender de qué se compone la materia y si existen más interacciones que no conozcamos.

Me encanta entender mi disciplina desde una visión histórica, partiendo de las primeras ideas filosóficas —con Demócrito planteando que todo está hecho de unas partículas indivisibles que llamó «átomos»— hasta el acercamiento científico. Cuando se descubrieron los átomos, se pensó, como Demócrito, que estos eran indivisibles (incluso su nombre significa eso: que no se pueden cortar o dividir). Es decir, los átomos serían una especie de bloques fundamentales con los que se construye todo.

Pero luego, mediante varios experimentos, como el de Thompson y el de Rutherford, se comprobó que el átomo se separa en núcleo y electrón, y que el núcleo, aunque es 10 000 veces más pequeño que el átomo en su conjunto, concentra casi la totalidad de su masa. Para entenderlo mejor: si un átomo fuese tan grande como un elefante, su núcleo sería del tamaño de un huevo de pulga. Y ese huevo de pulga concentraría casi toda la masa del elefante.

Rutherford fue la primera persona en proponer que existía un núcleo central que concentra toda la carga eléctrica positiva y más del 99% de la masa del átomo. Alrededor de este núcleo orbitan los electrones, que portan la carga eléctrica negativa del átomo, pero una parte ínfima de su masa. El dilema de cómo varias partículas de carga eléctrica positiva podían mantenerse unidas en un volumen tan pequeño produjo, posteriormente, el descubrimiento de la fuerza nuclear fuerte.

Créditos de la imagen: Cburnett. Fuente: Wikimedia Commons

Rutherford fue la primera persona en proponer que existía un núcleo central que concentra toda la carga eléctrica positiva y más del 99% de la masa del átomo. Alrededor de este núcleo orbitan los electrones, que portan la carga eléctrica negativa del átomo, pero una parte ínfima de su masa. El dilema de cómo varias partículas de carga eléctrica positiva podían mantenerse unidas en un volumen tan pequeño produjo, posteriormente, el descubrimiento de la fuerza nuclear fuerte.

Créditos de la imagen: Cburnett. Fuente: Wikimedia Commons

Más adelante se comprobó que el núcleo se compone de protones y neutrones, los cuales también se pensó que eran indivisibles o fundamentales. Y así fue hasta que se descubrió, gracias a los aceleradores de partículas modernos, que  protones y neutrones están a su vez compuestos de quarks. Hoy en día se presume que tanto electrones como quarks son indivisibles. Las evidencias actuales apoyan esta teoría, pero la física no se cierra a la posibilidad de que puedan tener estructura y estar constituídos por otras partículas.

En busca de la supersimetría

Los aceleradores de partículas han permitido explorar el universo más ínfimo. No solo se ha podido estudiar la estructura interna del protón: también se han descubierto nuevas partículas e interacciones. Estas nuevas fuerzas y partículas fueron modeladas teóricamente y clasificadas en lo que hoy conocemos como el modelo estándar de la física de partículas. Aunque el modelo estándar es la teoría más exacta que existe en la actualidad y se sostiene fuertemente con los datos experimentales, tiene muchos problemas y anomalías que no puede explicar: la masa y oscilación de neutrinos, la existencia de la materia oscura y la asimetría entre materia y antimateria en el universo, entre otros.

Durante mis años de doctorado, busqué señales de supersimetría utilizando los datos recolectados por el detector Atlas durante 2015. La supersimetría es un modelo más allá del modelo estándar que puede, técnicamente, solucionar varios de los problemas del modelo estándar. Incluso es la base de teorías de gravitación cuántica, como lo es la teoría de cuerdas.

La supersimetría propone una simetría entre la materia y sus interacciones: si asumimos que esta teoría es correcta, deberían existir partículas desconocidas que aún no han sido detectadas. Varios esfuerzos se han hecho por buscar y encontrar partículas supersimétricas con los detectores actuales pero no se ha encontrado evidencia significativa de su existencia. Esto ha hecho que la búsqueda de supersimetría sea constantemente repensada: aunque no ha sido demostrada, tampoco es posible descartarla.

En el Gran Colisionador de Hadrones y los múltiples experimentos que alberga (Atlas es solo uno de ellos) se busca de forma constante nuevas partículas, posibles nuevas fuerzas fundamentales y señales que permitan resolver las anomalías del modelo estándar de física de partículas.

Créditos de la imagen: © CERN

En el Gran Colisionador de Hadrones y los múltiples experimentos que alberga (Atlas es solo uno de ellos) se busca de forma constante nuevas partículas, posibles nuevas fuerzas fundamentales y señales que permitan resolver las anomalías del modelo estándar de física de partículas.

Créditos de la imagen: © CERN

En el experimento Atlas del Gran Colisionador de Hadrones no solo se busca supersimetría, sino cualquier señal que pueda demostrar la validez de diferentes modelos más allá del modelo estándar. Estos nuevos modelos muchas veces predicen la existencia de partículas nuevas y otras veces suponen ligeras variaciones a las mediciones ya establecidas del modelo estándar. Es por esto que se hace necesario estudiar a fondo tanto los procesos con señales exóticas (que puedan ser indicio de la existencia de nuevas partículas), como también hacer estudios minuciosos de señales bien conocidas. Cualquier desviación de los valores predichos por el modelo estándar —como lo ha sido la medición de la masa del bosón W por un equipo del Fermilab en abril de 2022— podría ser la evidencia de nueva física que estamos buscando. En resumen, estamos en un momento donde sabemos que el modelo estándar no es perfecto y conocemos sus fallas. Lo difícil es saber dónde buscar para encontrar posibles evidencias de nueva física.

En este marco, mi proyecto de investigador postdoctorante consiste en buscar señales de violación de la universalidad leptónica. Es decir, buscar procesos que ocurran de manera diferente para electrones que para muones. Recordemos que el muón es una partícula muy parecida al electrón, pero inestable y de mayor masa: es como un hermano mayor del electrón que interactúa de forma más débil con la materia común. El modelo estándar postula la universalidad de los acoplamientos a leptones, pero hay evidencias alentadoras de de la violación de esta. Un posible ejemplo es el estudio de las propiedades del bosón de Higgs, principalmente en eventos que contengan electrones y/o muones en los estados finales. El objetivo sería estudiar la producción de bosones de Higgs en colisiones de protones y comparar los canales de decaimiento para electrones y muones buscando diferencias.

Otra búsqueda interesante es la de los decaimientos del bosón de Higgs a un electrón y un muón canal que también está «prohibido» por el modelo estándar. También estoy comenzando un estudio buscando nuevas interacciones más masivas y sus posibles decaimientos exóticos.

El proyecto comienza por probar, estudiar y analizar el comportamiento de los nuevos detectores de muones que fueron construidos con la colaboración chilena y que fueron recientemente instalados en las «New Small Wheels» («Nuevas Pequeñas Ruedas», detectores de muones diseñados para condiciones de alta luminosidad) del experimento Atlas.

El haber instalado nuevos detectores forma parte de la mejora continua del detector: esto permite aumentar la precisión en las mediciones, algo esencial para indagar más en toda la física y en las propiedades antes mencionadas. El objetivo es probar y calibrar los detectores de manera que toda la colaboración pueda usarlos y que efectivamente mejoren la precisión en la reconstrucción e identificación de muones. Una vez calibrados, la idea es usar estos detectores junto con otros subdetectores de Atlas para buscar señales de física nueva como para realizar mediciones aún más precisas del comportamiento del bosón de Higgs y sus interacciones.

No obstante, hacer mejoras a los detectores no es suficiente: también se deben mejorar los análisis, es decir mejorar el software y los algoritmos de reconstrucción, selección y análisis de los datos. Y, para conseguir este objetivo, se debe investigar y aprovechar todo el desarrollo y avance de los últimos años en machine learning. Estas herramientas servirán para, por ejemplo, clasificar de manera más robusta y eficiente los datos y, de esta forma, hacerlos estadísticamente más significativos, lo que también se traduce en resultados más precisos.

Quizás, como ocurrió con los descubrimientos de Thompson y Rutherford, estemos frente a las puertas de nuevos descubrimientos en física. Quizás estos detectores más avanzados, combinados con nuevas herramientas de análisis nos lleven a una comprensión de la física tan revolucionaria como cuando se descubrió que los átomos no son indivisibles. Solo las investigaciones y el tiempo lo dirán.