10 años después del Higgs, los físicos son optimistas por más descubrimientos



Imagina que acabas de llegar a un planeta en otro sistema photo voltaic. De repente, cinco minutos después de aterrizar, ves una forma de vida extraterrestre. ¡Este es un descubrimiento increíble! Es posible que pase décadas tratando de comprender a este ser exótico, probando sus propiedades e investigando cómo llegó allí. Al mismo tiempo, esperas que haya otras criaturas fascinantes alrededor, tal vez incluso más intrigantes que la primera y posiblemente mucho más difíciles de vislumbrar.

Así es como se sienten los físicos de partículas cuando comenzamos la nueva fase, llamado Run 3, en el acelerador de partículas más poderoso del mundo: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN cerca de Ginebra. Este mes se cumple el décimo aniversario de la descubrimiento del bosón de higgs, una partícula largamente buscada que había sido predicha casi 50 años antes. El LHC fue construido para encontrar el bosón de Higgs y lo hizo. Su próximo objetivo es encontrar pistas que nos ayuden a descifrar otros misterios sin resolver. Aunque la máquina aún no ha descubierto otras partículas fundamentales novedosas, especialmente las esperadas partículas supersimétricas que las teorías populares predijeron y que aún pueden estar disponibles, desde el bosón de Higgs, el futuro en el LHC es prometedor. Tenemos muchas nuevas vías para explorar y muchas razones para el optimismo.

El descubrimiento del bosón de Higgs, que se produjo solo cuatro años después de la apertura del LHC, fue un golpe de suerte: podría haber llevado mucho más tiempo detectar la partícula, o quizás nunca la hubiéramos encontrado. La masa de la partícula podría no haber estado en el rango accesible en el colisionador, o podría no haber interactuado lo suficiente con otras partículas para que se produzcan en las colisiones del LHC. Puede que ni siquiera haya existido en absoluto. Y la naturaleza fue aún más amable: por razones que aún no comprendemos, dispuso que la masa del bosón de Higgs fuera 125 veces la masa de un protón, un valor que hace que el bosón de Higgs se desintegre en muchas de las partículas que conocemos a velocidades similares. tasas.* Esta propiedad hace que sea conveniente explorar cómo el bosón de Higgs se comunica con estas otras partículas y abre muchas oportunidades para buscar lo inesperado.

El bosón de Higgs period la pieza restante del modelo estándar de física de partículas, nuestra principal teoría de las propiedades e interacciones entre las partes fundamentales de la naturaleza. Sin embargo, gran parte de la física de partículas no encaja en este modelo. El estado precise de nuestro campo se siente como tratar de comprender la ciencia de la cocina cuando todo lo que tienes es una buena comprensión de la teoría de cómo hierve el agua. El Modelo Estándar guarda silencio sobre la materia oscura e incluso sobre la fuerza de la gravedad. neutrinos están ahí, pero sus diminutas masas no se tienen en cuenta. La materia ordinaria está ahí pero sin explicación de cómo prevaleció sobre la antimateria después del gran estallido. El bosón de Higgs está allí, pero no intenta explicar por qué el campo de energía invisible de Higgs se activó en el universo primitivo para dar masa a otras partículas, o por qué sus masas son tan diferentes como las de una hormiga y una ballena o por qué el bosón de Higgs. Se dio a sí mismo una masa que pone al universo precise al borde de la inestabilidad cósmica.

El LHC fue diseñado como una máquina de descubrimiento para ayudarnos a responder estas preguntas y, afortunadamente para nosotros, tiene otros 20 años en el horizonte antes de que se apague. Los detectores emblemáticos del colisionador, ATLAS y CMS, se han convertido en experimentos bastante diferentes en el Run 3 de lo que eran hace 10 años. Ambos han recibido tecnologías mejoradas, y una nueva generación de científicos talentosos está buscando concepts novedosas sobre cómo vislumbrar lo que puede haber ahí fuera. En la Carrera 3, todos los experimentos del LHC se adentrarán en territorio previamente inexplorado en múltiples frentes. Estoy temblando de emoción por lo que me depara el futuro.

Ya hemos podido producir muchos miles de bosones de Higgs en el LHC y ahora estamos trabajando para detectar las formas más raras en las que se puede producir la partícula y luego decaer en otras partículas. Hay muchas posibilidades de sorpresas, ya sea en mediciones de precisión que pueden mostrar que el Higgs se produce o se desintegra de manera algo diferente a las predicciones de nuestro Modelo Estándar o mediante la observación de fenómenos exóticos relacionados con el Higgs. Por ejemplo, el bosón de Higgs podría desintegrarse en materia oscura, o las desintegraciones de Higgs podrían violar la simetría esperada entre la materia y la antimateria.

Hasta ahora solo hemos visto colisiones que producen un solo bosón de Higgs a la vez. Pero creemos que también debería ser posible producir dos bosones de Higgs en una colisión. Esta producción de «di-Higgs» nos daría una ventana directa de cómo se activó el campo de energía de Higgs después del Large Bang porque es una medida directa de la fuerza con la que interactúa el bosón de Higgs y, por lo tanto, el campo de energía de Higgs. El modelo estándar predice que las colisiones que producen dos bosones de Higgs ocurrirán a un ritmo finito pero pequeño, lo que sugiere que este proceso será detectable cerca del closing de la vida útil del LHC. Esta es una perspectiva emocionante, pero tampoco hay una razón convincente para creer en los detalles de esta predicción: el modelo estándar no pretende conocer los orígenes del bosón de Higgs ni comprender los mecanismos del campo invisible de Higgs en el universo primitivo. Una señal de di-Higgs podría verse potencialmente antes, durante la ejecución 3, quizás inducida por nuevas partículas que mejoran el proceso.

Menos de una colisión del LHC en mil millones produce un bosón de Higgs, por lo que el descubrimiento inicial fue como encontrar una aguja en un gran pajar. Hoy en día, los teóricos han propuesto muchas posibilidades para otras partículas alienígenas que eventualmente podrían aparecer en nuestros detectores. Pero el desafío ahora es comparable a buscar alguna cosa en un pajar cuando ni siquiera sabes si estás buscando una aguja o algún otro objeto por completo.

Abundan otras nuevas oportunidades. Hace diez años, la mayoría de los físicos habrían descartado la thought, si alguien hubiera estado lo suficientemente loco como para sugerirlo, que pudiéramos conectar una pink neuronal a un detector LHC para analizar sus hallazgos. Hoy, gracias a las innovaciones desarrolladas por un grupo brillante de colegas jóvenes y socios de la industria deseosos de ampliar los límites de la inteligencia synthetic, una pink analiza 40 millones de colisiones del LHC por segundo para decidir qué parece lo suficientemente interesante como para registrarlo para que los humanos lo estudien más adelante. .

Cuando ve fotografías de los colosales detectores ATLAS y CMS, la mayor parte del volumen de los detectores que está mirando es su parte exterior, que fue diseñada para detectar y medir un tipo especial de partícula llamada muón, un primo del electrón que es a menudo se produce cuando las partículas se descomponen, incluido el bosón de Higgs. Los muones penetran a través de la materia más fácilmente que otras partículas que se detienen y miden en las partes internas de los detectores. Tan solo en los últimos dos años, los innovadores tanto de CMS como de ATLAS se dieron cuenta de que pueden reutilizar los detectores externos para posibles descubrimientos que de otro modo se perderían. Muchos modelos que intentan explicar la materia oscura proponen la existencia de partículas exóticas de larga vida que pueden penetrar a través de los detectores internos y llegar a los detectores externos antes de descomponerse en partículas estándar. Este escenario produciría una señal de descubrimiento que podría ser relativamente fácil de ver, pero solo si supiera buscarla.

Diez años después del descubrimiento del bosón de Higgs, el campo de la física de partículas está floreciendo con nuevas concepts destinadas a arrojar luz sobre profundos misterios. El Gran Colisionador de Hadrones está comenzando un nuevo capítulo en su vida, con haces de partículas más potentes, capacidades de detección mejoradas y técnicas más sofisticadas para permitir el descubrimiento. Tanto los experimentalistas como los teóricos están expandiendo las fronteras de su ingenio en este emocionante viaje de exploración.

*Nota del editor (7/6/22): Esta oración fue editada después de la publicación para corregir la descripción del Higgs descomponiéndose en muchas partículas a velocidades similares.