El experimento CMS del LHC en el CERN y nuestra ignorancia sobre la QCD a baja energía

Supongo que ya conocerás la noticia más importante en física de partículas de hoy (21 septiembre), de esta semana y quizás de este mes. Científicos del experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) han observado un nuevo fenómeno en las colisiones protón-protón [noticia oficial en español, CPAN]. La figura que abre esta entrada muestra a la izquierda el resultado esperado según las simulaciones de Montecarlo y a la derecha el resultado experimental observado. La flecha apunta al resultado que ha generado la noticia. Una correlación no prevista en las colisiones que producen más de 110 partículas con baja energía intermedia (momento entre 1 y 3 GeV/c). Los expertos aseguran que “representa la primera evidencia de un resultado novedoso” del mayor acelerador de partículas del mundo. He leído varias noticias publicadas en diferentes medios y no aclaran bien el asunto. No sé si te habrá pasado lo mismo. Algunos exageran un poco, como Lubos Motl que ya ve teoría de cuerdas en estas !!! BREAKING NEWS !!! (“LHC: CMS probably sees quark-gluon plasma or dual QCD string or something better,” The Reference Frame, September 21, 2010).

La fuente oficial de la noticia titula “New two-particle correlations observed in the CMS detector at the LHC,” CMS Web, CERN, September 21st 2010, incluye un enlace a el artículo original, que aclara un poco el asunto [The CMS Collaboration, “Observation of Long-Range, Near-Side Angular Correlations in Proton-Proton Collisions at the LHC,” Submitted to Journal of High Energy Physics]. También apunta a la presentación oficial de Guido Tonelli (CERN) [pdf slides] y de Gunther Roland (MIT) [pdf slides], hoy 21 de septiembre en el CERN Joint LPCC/EP/PP Seminar. Aunque los detalles parecen farragosos, el efecto observado  es similar al observado en colisiones de iones pesados que producen un plasma de quarks y gluones en el RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) del Brookhaven National Laboratory (EEUU)  [ver en ArXiv]. La figura de abajo, que presenta Guido Tnoelli es bastante clarificadora.

Los cálculos del resultado de una colisión protón-protón en el LHC utilizando la cromodinámica cuántica (QCD) son mucho más complicados conforme el número de partículas en dicha colisión crece. Más aún cuando la energía de la colisión ha de repartirse entre muchas partículas y cada una recibe una energía baja o intermedia. Estudiar el comportamiento de la QCD a baja energía mediante métodos de Montecarlo requiere asumir una serie de hipótesis simplificadoras. Lo que nos ilustra el nuevo resultado de CMS es un posible fallo en estas hipótesis. Habrá que incorporar en los simuladores nuevos efectos asociados a la producción de un plasma de quarks y gluones en este tipo de colisiones protón-protón del LHC. Para estudiar el plasma de quarks y gluones, en el LHC se realizarán colisiones de iones pesados en noviembre y parte de diciembre, que se estudiarán con el detector ALICE y que complementarán los resultados de RHIC. Yo espero que permitan entender mejor estos nuevos resultados observados en CMS. No creo que sea necesario recurrir a física exótica para explicarlos. Aún así, habrá que estar al tanto en los próximos meses a ver cómo evoluciona este interesante asunto.

PS: Recomiendo la lectura de los comentarios de Tommaso Dorigo, “New Physics With CMS ? Huhm,” A Quantum Diaries Survivor, September 22nd 2010, en una línea similar a los míos (pero escritos por un experto en estos asuntos).