Tests de alta precisión de la teoría electrodébil en el LHC del CERN

dibujo20081204lhcMalas noticias para los físicos teóricos con ganas de nuevos descubrimientos. El LHC del CERN no volverá a ponerse en funcionamiento hasta 2010, como pronto. Así nos lo cuenta Jason Mick, “LHC Mess Continues With Restart Date Pushed Even Further Back,” Dec. 1, 2008 (leído en Menéame). Un fallo en una sola soldadura provocó que explotara un transformador y se quemara el circuito electrónico asociado. Inicialmente se pensó que con 21 millones de dólares y un par de meses todo estaría arreglado. El director del CERN Robert Aymar retrasó la nueva puesta en marcha para abril de 2009 (en invierno debe estar parado) y más tarde para junio de 2009. Pero James Gillies, jefe de prensa del CERN, confesó el viernes pasado que se retrasará hasta finales del verano de 2009 (el llamado “Plan A”). En realidad, es muy posible que hasta principios de 2010 no se vuelva a poner en funcionamiento el LHC (es el “Plan B”).El diseño del LHC debe garantizar que se alcancen 7 TeV (teraelectrón-voltion) en cada haz de hadrones, pero seguramente cuando se vuelva a poner en marcha sólo se alcanzarán unos 5 TeV, y quizás incluso menos, afirma Mr. Gillies, “las 5 secciones que no han sufrido daños podrían alcanzar los 5 TeV, pero el resto de la máquina sólo podrá soportar 4 TeV.” Este será el límite máximo que se espera poder lograr el próximo año (“Plan A”).

Malas noticias. ¿Qué significa un LHC a plena funcionamiento (7 TeV por haz) para los datos de precisión de la teoría electrodébil? El artículo de N. Besson, “Electroweak Physics Measurements at the LHC,” ArXiv preprint, 2 Dec. 2008 , nos cuenta lo que hoy se conoce sobre la masa de algunas partículas y cómo el LHC nos permitirá mejorar dicho valor. El LHC producirá unos 800 mil pares de quark top-antitop y unos 20 millones de bosones W en cada colisión con lo que podremos mejorar significativamente los valores de las masas del quark top y del bosón W, ¿cuánto exactamente? Las simulaciones de Montecarlo de los detectores ATLAS y CMS del LHC nos lo aclaran (valor y error actual => nuevo error esperado):

Masa del quark top = 172.6 ± 1.4 GeV    =>  error reducido a ± 1 GeV.

Masa del bosón W = 80.398 ± 0.025 GeV   =>  error reducido a ± 0.005 GeV. 

 

Masa del bosón de Higgs = 87+36-27 GeV    =>  error a reducido a ± 15 GeV.

No parece mucha mejora. Pero es lo que hay. La mayor esperanza con el LHC es que encuentre nuevas partículas (bosón de Higgs, partículas supersimétricas, etc.).

Estrellas de bosones o superagujeros negros en el centro de las galaxias

Simulación numérica de la colisión y mezcla de 2 estrellas de bosones.

La teoría astrofísica estándar sobre la evolución de las galaxias asume que en el centro de todas las galaxias se encuentra un superagujero negro. Las pruebas sobre la existencia de dichos superagujeros negros son muy limitadas aunque la evidencia experimental desde múltiples frentes apunta en dicha dirección. ¿Podrían albergar las galaxias objetos supercompactos masivos que no fueran agujeros negros? Las estrellas de bosones son el mejor candidato desde su “descubrimiento” teórico en 1968 por parte de Kaup. Permitidme mencionar un par de artículos en esta línea: Diego F. Torres, S. Capozziello, G. Lambiase, “A supermassive boson star at the galactic center?,” Phys. Rev. D, 62, 104012, 2000 [ ArXiv preprint, 5 Apr 2000 ], y Franz E. Schunck, Andrew R. Liddle, “Boson stars in the centre of galaxies?,” ArXiv preprint, 23 Nov 2008 . Este último es el que ha motivado esta entrada.

Las estrellas de bosones son estrellas que no están formadas por materia ordinaria (bariónica) y para las que el límite de Chandrasekhar no limita significativamente su masa con lo que pueden ser muy masivas sin colapsar en un agujero negro. Nadie sabe si existen las estrellas de bosones. Tampoco se sabe qué partícula (tipo bosón) puede permitir su existencia aunque hay varios candidatos teóricos. Estas estrellas son ultracompactas, por ello son muy parecidas a los agujeros negros. Su tamaño es poco mayor que el radio de Schwarzschild de una agujero negro de igual masa. Por supuesto, no tienen ni horizonte de sucesos ni ocultan ninguna singularidad, como los agujeros negros. Estas estrellas de bosones estarían rodeadas de un disco de acreción similar al de un agujero negro, por lo que las señales que en el centro de la Vía Láctea, en Sgr A∗, indican que hay un superagujero negro, también pueden ser interpretadas como que hay una estrella de bosones (aunque la mayoría de los astrofísicos los prefiere a ellos).

¿Qué partículas tipo bosón podrían formar estrellas de bosones? Los candidatos más proclamados son los bosones escalares (partículas escalares como el bosón de Higgs). Nadie ha descubierto todavía ninguna partícula de este tipo (de descubrirse el bosón de Higgs, se espera que sea la primera). Los bosones escalares son el tipo de partícula elemental más sencilla desde el punto de vista teórico y no hay ninguna ley conocida que prohíba que existan (aunque no hayamos encontrado ninguno, podrían ser muy masivos).

El nuevo artículo de Schunck y Liddle nos presenta una idea interesante. Una estrella de bosones no puede ser resuelta por telescopios ópticos. Sólo la astronomía de rayos X (la misma que permite observar agujeros negros) puede observar este exótico objeto astrofísico. Los autores del artículo proponen que la observación en rayos X de una estrella de este tipo será muy similar a un núcleo galáctivo activo (AGN) con un agujero negro en su centro.

Como siempre, sólo el experimento (la Naturaleza) puede decidir entre hipótesis teóricas en liza. A mí personalmente me gustan los teóricos que apuestan por ir contra la marea. Aún así, es muy difícil desbancar a los superagujeros negros como motores de la evolución galáctica. Ya aparecen como tales en todos los libros de texto.

Estatus actual de la búsqueda del bosón de Higgs (en la reunión de la APS)

Traducción libre de “PHYSICS NEWS UPDATE”, The American Institute of Physics Bulletin of Physics News, Number 861, April 15, 2008, www.aip.org/pnu by Phillip F. Schewe and Jason S. Bardi.

ENCONTRAR EL BOSÓN DE HIGGS es el problema más importante a resolver en los dos aceleradores de partículas más grandes que nunca se han construido: el Tevatrón del Fermilab (EEUU), que ahora está alcanzando sus picos de energía tras décadas de funcionamiento, y el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) en el CERN (Europa), donde en los próximos meses se harán circular haces de protones (núcleos de hidrógeno) y antiprotones (sus antipartículas) en un túnel de 27 km de longitud. La partítula de Higgs todavía no ha sido encontrada, pero en la conferencia de la Sociedad de Física Americana (APS), esta semana, en St. Louis, docenas de charlas se han referido al estatus actual de la búsqueda del Higgs.

¿Por qué el Higgs es tan importante? Porque se supone que domina el vacío en el universo; no como el antiguo éter, sustrato material para la propagación de ondas electromagnéticas, sino para interactuar con otras partículas y dotarlas de masa (en reposo) no nula. El campo del Higgs normalmente está oculto en el propio vacío, pero si acumulamos suficiente energía en un volumen de espacio minúsculo, como en el punto en el que dos haces de partículas muy energéticas colisionan, entonces el Higgs aparece como una partícula “real” masiva cuya existencia puede ser detectada.

Los cálculos teóricos usando el Modelo Estándar de la Física de Partículas combinadas con cotas obtenidas de experimentos desarrollados en el pasado nos permiten limitar el rango de masas en reposo de la partícula de Higgs. Ahora mismo sabemos que su masa en reposo debe ser mayor que 114 GeV, pero menor que unos 190 GeV. El Tevatrón del Fermilab genera energía más que suficiente para crear una partícula con ese rango de masas. El mayor problema es su luminosidad, o la densidad de partículas en el haz que se hacen colisionar juntas por segundo. El Tevatrón recientemente ha alcanzada su récord de luminosidad: 3.1 x 10^32 por cm^2 por segundo.

¿Cómo veríamos un bosón de Higgs en el Tevatrón?  Brian Winer (de la Universidad del Estado de Ohio) dice que “el evento más parecido a un evento tipo Higgs” visto hasta el momento en las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón ha creado una bola de fuego (fireball) que ha decaído en un bosón W (uno de los portadores de la fuerza nuclear débil) y una partícula de Higgs. Pero esta última ha decaído tan rápidamente en un par quark-antiquark (en concreto, bottom-antibottom) con una masa combinada superior a 120 GeV. Como tal, dicho evento no constituye un descubrimiento. Hay eventos de “fondo” que se parecen al resultado de observar un Higgs. Una observación “de verdad” del Higgs requiere eventos candidatos sustancialmetne mayores que el número de eventos de “fondo” esperados. Quizás con el tiempo (e incrementos en la luminosidad) el Tevatrón podrá acumular suficientes eventos candidatos a Higgs como para establecer un “descubrimiento” estadísticamente satisfactorio. Un físico del Tevatrón, Dmitri Denisov (denisovd@fnal.gov) resume el estado actual de los experimentos asociados a los detectores CDF y D0, e indica que se espera que para el año 2010, con una luminosidad posiblemente del doble de la actual y con un número de eventos unas 4 u 8 veces mayor, el Higgs sea “descubierto” en el Tevatrón.

Pero quizás se adelanten en el CERN. A las energías de las colisiones de haces protón-antiprotón en el LHC, el Higgs, si existe, será observado abundantemente. Abraham Seiden (abs@scipp.ucsc.edu) de la Universidad de California en Santa Cruz, resumió el estado actual del LHC. Los ingenieros y científicos del CERN están ajustando los imanes que garantizan que los protones sigan la trayectoria correcta que deberán funcionar a temperaturas próximas al cero absoluto, necesarias para que operen como superconductores. Aunque el LHC está diseñado para alcanzar energías de hasta 7 TeV, será “encendido” a “solamente” unos 5 TeV. Seiden indica que está planificado que para mediados de junio se enfrien los imanes superconductores y esté lista para que los haces de protones empiecen a circular por el anillo. Para agosto próximo se espera que se produzcan las primeras colisiones y “todo” comience … y la historia del Higgs se reescriba … Sin embargo, varios científicos en la Conferencia de la APS estaban un poco excépticos sobre esta fecha cuando fueron preguntados en privado. Agosto es la fecha de los optimistas. Los pesimistas lo retrasan a finales de este año.

El escenario de posibles descubrimientos en el LHC esperado para los próximos años, dice Seiden, más allá del Higgs, hace posible que la primera partícula supersimétrica (la de menor masa en reposo de una gran familia de partículas hipóteticas parejas de las que conocemos) puede ser detectada como pronto en 2009 antes de la confirmación última del Higgs que deberá esperar a 2010.

La carrera de la búsqueda del Higgs está en la línea de salida y sólo ganará el que tenga más “suerte”, ya que tanto Tevatrón como LHC esperan tener un descubrimiento “confirmado” en 2010. ¿Quién ganará? Se admiten apuestas.