Un estiu “calent” per a la física de partícules

A mitjan juny vam saber que el Gran Col·lisionador d’Hadrons (o Large Hadron Collider, LHC) havia assolit només en tres mesos la quantitat de dades prevista per a tot l’any 2011. L’objectiu? Aconseguir resultats per a les principals conferències sobre física de partícules de l’estiu: la conferència de Física d’Altes Energies de la Societat Europea de Física, que va començar a Grenoble (França) el passat dia 21 de juliol, i la conferència Lepton-Photon, que enguany tindrà lloc a l’Institut Tata de Bombai (Índia) del 22 al 27 d’agost.

Els experiments ATLAS  i CMS de l’LHC  van arribar a la quantitat d’1 femtobarn invers, la qual cosa és un molt bon indicador d’efectivitat relacionada amb el nombre total de col·lisions produïdes (en aquest cas equivaldria al voltant de 70 bilions de col·lisions). Un cop superats els problemes soferts per la infraestructura després de la seva arrencada, l’estiu de 2008, aquesta dada demostraria que el seu funcionament segueix el guió previst. Si tot va bé, abans de finalitzar l’any s’assolirien els 4 fb inversos (o fins i tot 10 fb segons les previsions més optimistes).

El famós femtobarn invers assolit a mitjan juny

A més, en el workshop “Mini Chamonix” (una mena de trobades que es fan periòdicament per avaluar resultats i establir línies d’actuació a curt i mig termini) que es va celebrar el passat 15 de juliol, es va decidir l’estratègia que calia seguir pel que resta d’any quant a luminositats i nombre de col·lisions (podeu seguir tota la informació estadística dels experiments de l’LHC des d’aquesta pàgina,  i totes les novetats des d’aquesta altra, ambdues actualitzades constantment).

Havent assolit un femtobarn, quins resultats es poden presentar a les conferències d’aquest estiu? Fonamentalment resultats relacionats amb el bosó de Higgs i la supersimetria. En aquest article tractarem el primer punt, l’enigmàtic bosó de Higgs.

El model estàndard de la física de partícules

A l’escola aprenem que l’estructura de l’àtom està integrada fonamentalment per protons, neutrons i electrons. Els àtoms estan formats per quatre partícules elementals: dos quarks (anomenats up i down) i dos leptons (l’electró i el neutrí electrònic). Cadascuna d’aquestes quatre partícules té dos germans grans, de massa superior i propietats idèntiques. Tota la matèria està formada per agregats d’aquestes partícules elementals. Per exemple, un protó està integrat per dos quarks up i un quark down.

A banda de les partícules, un altre concepte molt important en el model estàndard és el d’interacció. En el microcosmos, les partícules interactuen a partir de l’intercanvi de “partícules d’interacció” (si dos protons xoquen, el que esdevingui serà una conseqüència de la interacció entre els quarks que els integren).

Leptons, quarks i bosons, els ingredients del model estàndard de la física de partícules

El fet que els protons estiguin formats per quarks explica per què, a l’LHC, es farà col·lidir protons contra protons: en realitat, es fa xocar quarks, és a dir, partícules fonamentals i sense estructura. La millor manera d’estudiar què esdevé en l’àmbit de les interaccions més elementals es basa precisament en l’examen detallat d’aquestes col·lisions. Les teories d’interacció s’anomenen teories quàntiques de camps, i si els afegim com a ingredients els quarks i els leptons i un polsim de teoria especial de la relativitat, tenim com a resultat final el que en física anomenem el model estàndard de la física de partícules.

La formulació actual del model estàndard va finalitzar a mitjan anys 70, després de la confirmació experimental de l’existència dels quarks. Es tracta d’una teoria força complexa, que sobre la base de tot un seguit d’equacions matemàtiques permet predir l’existència d’un gran nombre de partícules subatòmiques, així com les seves interaccions. El model ve avalat pels descobriments de partícules com ara els quarks bottom (1977) i top (1995), els bosons W i Z (1981) i el neutrí tau (2000). També explica les propietats de les interaccions fonamentals (l’electromagnètica, la nuclear forta i la nuclear feble), tot i que també cal esmentar que no inclou la interacció gravitatòria. En definitiva, es tracta d’un model que explica molt bé com és l’Univers que veiem, a més d’una bellíssima teoria matemàtica.

L’enigmàtic bosó de Higgs                           

El bosó de Higgs, l’existència del qual va ser predita l’any 1964 pel físic escocès Peter Higgs, entre d’altres, és una de les poques partícules del catàleg de partículesdel model estàndard que encara resta per ser descoberta. Sobre aquesta partícula recau la responsabilitat que les partícules elementals (quarks i leptons) tinguin massa, ja que el bosó de Higgs, a grans trets, vindria a crear un camp a tot l’univers -anomenat escalar o camp de Higgs- de manera que quan una partícula es belluga en aquest camp, aquest ofereix com una mena de resistència al moviment i això és el que anomenem massa. Alguns investigadors l’anomenen la partícula del buit, de la mateixa manera que el fotó és la partícula dels camps elctromagnètics; molt esquemàticament podríem dir que el buit és una substància, un camp que omple l’Univers, i si es remou aquest camp, que ho impregna tot, apareixen les vibracions d’aquest camp, que són les partícules o quants.

Peter Higgs, durant una visita a l’experiment CMS. Imatge: science.discovery.com

El model teòric prediu que la massa del bosó de Higgs es troba en un determinat rang de valors, i fins i tot coneixem com es desintegra, però no l’hem detectat mai perquè la seva massa és tan elevada que per poder-lo detectar fan falta col·lisions molt energètiques, com les que pot aconseguir l’LHC.

De fet, a mitjan abril va causar furor el contingut d’una nota interna entre personal que fa recerca al CERN (concretament en el detector ATLAS) que anunciava la possible aparició del bosó. Concretament, es comentava l’observació d’una ressonància en els 115 GeV que podia ser potencialment una demostració de l’existència del bosó. El rumor es va filtrar de la xarxa als mitjans i es van iniciar tota mena d’especulacions. Una anàlisi exhaustiva de les dades va acabar demostrant que  no hi havia cap senyal que indiqués la presència del bosó de Higgs. I és que el grau de transparència de la recerca que es fa al CERN és tan elevat que alguns recercaires fins i tot fan públics els debats interns i les discussions científiques sobre  els resultats dels seus experiments. En aquest cas, les primeres impressions no van acabar esdevenint cap descobriment, i va ser un toc d’atenció adreçat als mitjans per tal que només anunciïn possibles descobertes un cop han estat confirmades oficialment.

I si el bosó no hi és?

Fins que no descobrim el higgs, el model estàndard no estarà acabat i, en principi, segons el personal expert, després de l’aturada de l’LHC de finals d’enguany on s’aplicaran les correccions necessàries per augmentar-ne l’energia, el bosó hauria d’aparèixer a finals de 2012 pel cap alt.

Si no arribem a detectar la partícula o quelcom que la substitueixi, estaríem davant d’un descobriment extraordinari i fascinant, semblant a la situació que van viure Michelson i Morley en intentar detectar el moviment de la Terra en l’èter i el descobriment posterior que no hi havia èter. En aquest escenari, caldria modificar el model, és a dir, la nostra concepció del món des del punt de vista de la física de partícules. I si es detecta la partícula en el rang d’energies previst, el desitjable seria que també es fessin descobriments relacionats amb la supersimetria i la matèria fosca. Però d’això en parlarem en un altre article!

(Article publicat a Notícies d’In el 18 de juliol de 2011)

Xavier Lasauca i Cisa
Bloc L’ase quàntic

Recerca 2.0, Ciència 2.0, xarxes socials, dones i ciència, universitats, open access, open science, innovació a l'Administració, open data...