El experimento del Gran Colisionador de Hadrones para producir quarks

Durante 30 años, físicos de todo el mundo han estado intentando reconstruir cómo se formaron las partículas que dieron vida en el universo primitivo. ALICE es su esfuerzo más poderoso hasta el momento.

Por Rahul Rao | Publicado el 31 de agosto de 2023 a las 6:00 a.m.EDT

NORMALMENTE, Crear un universo no es tarea del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). La mayor parte de la ciencia agotadora (identificar y rastrear los bosones de Higgs, por ejemplo) del acelerador de partículas más grande del mundo ocurre cuando lanza humildes protones a casi la velocidad de la luz.

Pero durante aproximadamente un mes, cerca del final de cada año, el LHC cambia su munición de protones a balas que son aproximadamente 208 veces más pesadas: iones de plomo.

Cuando el LHC choca esos iones entre sí, los científicos pueden (si lo han resuelto todo correctamente) vislumbrar una gotita fugaz de un universo como el que dejó de existir unas millonésimas de segundo después del big bang.

Esta es la historia del plasma de quarks y gluones. Tomemos un átomo, cualquier átomo. Retire sus nubes de electrones giratorias para revelar su núcleo, el núcleo atómico. Luego, corta finamente el núcleo en sus componentes básicos, protones y neutrones.

Cuando los físicos dividieron por primera vez un núcleo atómico a principios del siglo XX, esto fue lo más lejos que llegaron. Los protones, neutrones y electrones formaron la masa del universo entero; bueno, esos, además de pinceladas de partículas cargadas eléctricamente de vida corta, como los muones. Pero los cálculos, los aceleradores de partículas primitivos y los rayos cósmicos que impactaron la atmósfera de la Tierra comenzaron a revelar una colección adicional de partículas esotéricas: kaones, piones, hiperones y otras que suenan como si otorgaran poderes psíquicos a los extraterrestres.

Parecía bastante poco elegante por parte del universo presentar tantos ingredientes básicos. Los físicos pronto descubrieron que algunas de esas partículas no eran elementales en absoluto, sino combinaciones de partículas aún más pequeñas, a las que nombraron con una palabra inspirada en parte en Finnegans Wake de James Joyce: quarks.

Los quarks vienen en seis “sabores” diferentes, pero la gran mayoría del universo observable consta de sólo dos: quarks arriba y quarks abajo. Un protón consta de dos quarks arriba y un quark abajo; un neutrón, dos abajo y uno arriba. (Los otros cuatro, en orden ascendente de pesadez y elusividad: quarks extraños, quarks charm, quarks beauty y el quark top).

En este punto finaliza la lista de ingredientes. Normalmente no se puede dividir un protón o un neutrón en quarks en nuestro mundo; en la mayoría de los casos, los quarks no pueden existir por sí solos. Pero en la década de 1970, los físicos encontraron una solución alternativa: calentar cosas. En un punto que los científicos llaman temperatura de Hagedorn, esas partículas subatómicas se reducen a una sopa de alta energía de quarks y las partículas aún más pequeñas que las unen: los gluones. Los científicos llamaron a esta sopa plasma de quarks y gluones (QGP).

Es una receta tentadora porque, una vez más, los quarks y gluones normalmente no pueden existir por sí solos, y reconstruirlos a partir de las partículas más grandes que construyen es un desafío. "Si te doy agua, es muy difícil determinar las propiedades de [los átomos de hidrógeno y oxígeno]", dice Bedangadas Mohanty, físico del Instituto Nacional de Educación e Investigación Científica de la India y del CERN. "Del mismo modo, puedo darte protones, neutrones, piones... pero si realmente quieres estudiar las propiedades de los quarks y gluones, los necesitas en una caja, gratis".

Esta no es una receta que puedas probar en un horno casero. En unidades del mundo cotidiano, la temperatura en un sistema hadrónico es de unos 3 billones de grados Fahrenheit, 100.000 veces más caliente que el centro del sol. El mejor aparato para este trabajo es un acelerador de partículas.

Pero no sirve cualquier acelerador de partículas. Necesitas impulsar tus partículas con suficiente energía. Y cuando los científicos se propusieron crear QGP, el LHC no era más que un sueño de un futuro lejano. En cambio, el CERN tenía un colisionador más antiguo que sólo ocupaba aproximadamente una cuarta parte de la circunferencia del LHC: el Súper Sincrotrón de Protones (SPS).

Como sugiere su nombre, SPS fue diseñado para estrellar protones contra objetivos fijos. Pero a finales de la década de 1980, los científicos habían decidido intentar cambiar los protones por iones pesados ​​(núcleos de plomo) y ver qué podían lograr. Experimento tras experimento a lo largo de la década de 1990, los investigadores del CERN creyeron haber visto algo sucediendo en los núcleos.

"Para nuestra sorpresa, ya con estas energías relativamente bajas, parecía que estábamos creando plasma de quarks y gluones", dice Marco van Leeuwen, físico del Instituto Nacional Holandés de Física Subatómica y del CERN. En 2000, su equipo afirmó que tenían "pruebas convincentes" del logro.

Durante los breves parpadeos durante los cuales existe la materia cuántica en el mundo, los físicos pueden observar cómo el plasma se materializa en lo que llaman “pequeños estallidos”.

Al otro lado del Atlántico, los homólogos del CERN en el Laboratorio Nacional Brookhaven de Long Island habían estado probando suerte con optimismo e incertidumbre a partes iguales. La incertidumbre se desvaneció con el cambio de milenio, cuando Brookhaven encendió el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC), un dispositivo diseñado específicamente para crear QGP.

"El RHIC se encendió y estábamos profundamente dentro del plasma de quarks y gluones", dice James Dunlop, físico del Laboratorio Nacional Brookhaven.

Así pues, hoy en día existen dos grandes fábricas de QGP en el mundo: el CERN y Brookhaven. Con este par de colisionadores, durante los breves parpadeos por los cuales existe la materia cuántica en el mundo, los físicos pueden observar cómo el plasma se materializa en lo que llaman “pequeños estallidos”.

Cuanto más cerca en el tiempo del Big Bang viajas, menos se parece el universo al que te es familiar. Al momento de escribir este artículo, el Telescopio Espacial James Webb posiblemente haya observado galaxias de unos 320 millones de años después del Big Bang. Si retrocedemos más, llegaremos a una Edad Oscura muy literal: una época anterior a las primeras estrellas, cuando había poco que iluminara el universo excepto el fondo cósmico.

En esta época oscura, la astronomía da paso progresivamente a la física subatómica. Si nos remontamos aún más atrás, apenas 380.000 años después del Big Bang, los electrones apenas se están uniendo a sus núcleos para formar átomos. Sigue regresando; el universo es cada vez más pequeño, más denso y más caliente. Segundos después del big bang, los protones y neutrones no se han unido para formar núcleos más complejos que el hidrógeno.

Si retrocedemos aún más (alrededor de una millonésima de segundo después del big bang), el universo está lo suficientemente caliente como para que los quarks y los gluones sigan separados. Es una versión en miniatura de este universo que los físicos buscan crear.

Los físicos reflexionan sobre ese universo en bloques de oficinas como el exquisitamente modernista que domina el centro de visitantes del CERN. Mire por la ventana de este edificio y podrá ver el final de una línea de tranvía de Ginebra. Cornavin, la principal estación de tren de la ciudad, está a sólo 20 minutos.

Los físicos del CERN Urs Wiedemann y Federico Antinori me reciben en su despacho. Wiedemann es un físico teórico de formación; Antinori es un experimentalista que dirige las colisiones de iones pesados. Estudiar QGP requiere los talentos de ambos.

“Hemos comprobado la existencia del plasma de quarks y gluones”, afirma Antinori. "Lo más interesante es entender qué tipo de animal es".

Por ejemplo, sus colegas que crearon QGP por primera vez esperaban encontrar una especie de gas. En cambio, QGP se comporta como un líquido. QGP, de hecho, se comporta como lo que se llama un líquido perfecto, uno que casi no tiene viscosidad. (Sí, el universo primitivo puede haber sido, muy brevemente, una especie de océano sobrecalentado. Muchos mitos de la creación podrían encontrar un espejo distante dentro de un acelerador de partículas).

Tanto Antinori como Wiedemann están especialmente interesados ​​en observar cómo se forma el líquido, observando cómo los núcleos atómicos se desgarran. Algunos científicos llaman al proceso una “transición de fase”, como si crear QGP fuera como derretir nieve para crear agua líquida. Pero convertir protones y neutrones en QGP es mucho más que derretir hielo; está creando una transición hacia un mundo muy diferente con leyes de la física fundamentalmente diferentes. "Las simetrías del mundo en el que vivimos cambian", dice Wiedemann.

Esta transición ocurrió a la inversa en el universo primitivo cuando se enfrió más allá de la temperatura de Hagedorn. Los quarks y gluones se agruparon formando los protones y neutrones que, a su vez, forman los átomos que conocemos y amamos hoy.

Pero los físicos luchan por comprender este proceso con las matemáticas. Se acercan más al examinar las colisiones de QGP en el laboratorio.

QGP es también un laboratorio de fuerza nuclear fuerte. Una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo, junto con la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil que gobierna ciertos procesos radiactivos, la fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidas las partículas en el corazón de los átomos. Los gluones que aparecen en el nombre de QGP son las herramientas de la fuerza nuclear fuerte. Sin ellos, las partículas cargadas se repelerían electromagnéticamente y los átomos se desgarrarían.

Sin embargo, aunque sabemos mucho sobre la gravedad y el electromagnetismo, el funcionamiento interno de la fuerza nuclear fuerte sigue siendo un secreto. Además, los científicos quieren aprender más sobre el papel que desempeña la fuerza nuclear fuerte.

“Se puede decir: 'Entiendo cómo interactúa un electrón con un fotón'”, dice Wiedemann, “pero eso no significa que entiendas cómo funciona un láser. Eso no significa que sepas por qué esta mesa no se rompe”.

Una vez más, para entender estas cosas, tienen que colisionar iones pesados.

Con productos como SPS, los científicos podrían observar gotas de QGP y confirmar su existencia. Pero si realmente quisieran mirar dentro y ver sus propiedades en funcionamiento (examinarlas), necesitarían algo más poderoso.

"Estaba claro", dice Antinori, "que había que recurrir a energías superiores a las disponibles en el SPS".

Al cruzar desde el campus del CERN hacia Francia, es imposible decir que este valle verde y agradable, bajo la gracia de las montañas Jura, se encuentra sobre un anillo de acero e imanes superconductores de 17 millas de largo. Esparcidos alrededor de ese anillo hay diferentes experimentos y detectores. La búsqueda de QGP tiene su sede en uno de esos detectores.

El camino pasa por la reluciente aldea de Saint-Genis-Pouilly, donde vive gran parte del personal del CERN. En las afueras pastorales se encuentra un grupo de cuboides industriales y torres de enfriamiento.

Aparte de un mural en la fachada de metal corrugado que da a un estacionamiento, el complejo realmente no anuncia que aquí es donde los científicos buscan QGP, que uno de estos edificios parecidos a almacenes es el capullo exterior de un gran experimento de colisionador de iones llamado, bueno, Un experimento de gran colisionador de iones (ALICE).

La física del CERN Nima Zardoshti me saluda debajo de ese mural: el detector de ALICE, el observador QGP, representado en un mural de color pastel. Zardoshti me lleva al interior, pasa por una sala de control que no estaría fuera de lugar en un documental sobre el alunizaje, dobla una esquina cubierta de láminas de metal y sale a un precipicio. Un escudo de hormigón lo remata, varios pisos más abajo. “Este hormigón es lo que detiene la radiación”, explica.

Debajo, oculto a la vista, se encuentra el artículo genuino, una máquina del tamaño de un edificio pequeño que pesa casi lo mismo que la Torre Eiffel. El detector se encuentra a más de 180 pies bajo tierra, y se puede acceder a él mediante un elevador de mina. A nadie se le permite bajar allí mientras el LHC está en funcionamiento, excepto el departamento de bomberos del CERN, que debe actuar rápidamente si se quema algún material radiactivo o peligroso.

Los iones pesados ​​que chocan dentro de esa máquina no se originan en este edificio. A varios kilómetros de distancia se encuentra el antiguo SPS, transformado en el primer trampolín del LHC. SPS acelera grupos de núcleos de plomo hasta una velocidad muy cercana a la de la luz. Una vez que están listos, el colisionador más corto los descarga en el más largo.

Pero a diferencia del SPS, el LHC no realiza experimentos con objetivos fijos. En cambio, ALICE crea una compresión magnética que incita a los rayos principales, que corren en direcciones opuestas, a chocar violentamente de frente.

Los iones de plomo son excelentes ingredientes. Un ion plomo-208 tiene 82 protones y 126 neutrones, y ambos son "números mágicos" que ayudan a que los núcleos sean tan esféricos como pueden llegar a ser. Los núcleos esféricos crean mejores colisiones. (Al otro lado del Atlántico, el RHIC de Brookhaven utiliza iones de oro).

El detector de ALICE no es una cámara; QGP no es como una bola de luz que se puede "ver". Cuando estos iones de plomo chocan a altas energías, estallan en un destello de QGP, que se disipa en una tormenta perfecta de partículas más pequeñas. En lugar de buscar luz, el detector observa las partículas a medida que caen en cascada.

Una colisión protón-protón podría producir unas pocas docenas de partículas; tal vez cien, si los físicos tienen suerte. Una colisión de iones pesados ​​produce varios miles.

Cuando los iones pesados ​​chocan, crean un destello de QGP y chorros puntiagudos de partículas más "normales": a menudo combinaciones de quarks pesados, como los quarks charm y beauty. Los chorros atraviesan el QGP antes de llegar al detector. Los físicos pueden reconstruir cómo era el QGP examinando esos chorros y cómo cambiaban a medida que pasaban.

Primero, esas partículas chocan contra chips de silicio, similares a los píxeles de su teléfono inteligente. Luego las partículas pasan a través de una cámara de proyección del tiempo: un cilindro lleno de gas. Aún con alta energía, se disparan a través de los átomos de gas como meteoros a través de la atmósfera superior. Liberan electrones de sus átomos, dejando rastros brillantes que la cámara puede captar.

Para los fanáticos de los equipos de física de partículas, la cámara de proyección del tiempo hace que ALICE sea especial. "Es muy útil, pero la desventaja, y la razón por la que otros experimentos no lo utilizan, es que es muy lento", dice Zardoshti. "Creo que el proceso tarda aproximadamente algo del orden de una millonésima de segundo".

ALICE crea alrededor de 3,5 terabytes de datos (alrededor del equivalente a tres largometrajes) cada segundo. Los físicos procesan esos datos para reconstruir el QGP que produjo las partículas. Gran parte de esos datos se procesan aquí mismo, pero muchos de ellos también se procesan en una vasta red global de computadoras.

La física de partículas es un campo que siempre tiene un pie extendido décadas hacia el futuro. Si bien ALICE entró en funcionamiento en 2010, los físicos ya habían comenzado a esbozarlo a principios de la década de 1990, años antes de que los científicos detectaran siquiera el QGP.

Una de sus grandes preguntas actuales es si pueden producir QGP rompiendo iones más pequeños que el plomo o el oro. Ya lo han conseguido con el xenón; A finales de este año, quieren probar con una sustancia aún más escasa como el oxígeno. "Queremos ver: ¿dónde está la transición en la que podemos fabricar este material?" dice Zardoshti. "¿El oxígeno ya es demasiado ligero?" Esperan que el elemento vivificante funcione. Pero en la física de partículas no se sabe con certeza hasta después del hecho.

A largo plazo, los administradores de ALICE tienen grandes planes. Después de 2025, el LHC se apagará durante varios años por mantenimiento y actualizaciones, lo que aumentará la energía del colisionador. Junto con esas actualizaciones vendrá una renovación total del detector de ALICE, cuya instalación está prevista para 2033. Todo esto está planificado precisamente con muchos años de antelación.

Los administradores del CERN se están atreviendo a diseñar un dispositivo para un futuro aún más lejano, un futuro colisionador circular que tendría más de tres veces el tamaño del LHC y no estaría en funcionamiento hasta la década de 2050. Nadie está seguro todavía de si tendrá éxito; si lo hace, será necesario asegurar una inversión de más de 20 mil millones de euros.

Energías más altas, colisionadores más grandes y detectores más sensibles constituyen herramientas más potentes en los arsenales de los observadores de QGP. Las partículas que buscan son diminutas e increíblemente de corta duración, y necesitan esas herramientas para ver más de ellas.

Pero mientras los físicos de partículas han gastado miles de millones de euros y décadas de esfuerzo para devolver a la realidad fragmentos del universo primitivo, algunos astrofísicos creen que el universo podría haber estado mostrando el mismo entusiasmo.

En lugar de un acelerador de partículas, el universo puede valerse de un aparato mucho más poderoso: una estrella de neutrones.

Cuando una inmensa estrella, mucho más grande que la masa de nuestro sol, termina su vida en una espectacular supernova, el fragmento de un núcleo que queda comienza a derrumbarse. El núcleo no puede ser demasiado grande, o colapsará en una agujero negro. Pero si la masa es la correcta, el núcleo alcanzará presiones y temperaturas que podrían desgarrar los núcleos atómicos en quarks. Es como el experimento ALICE a escala en un entorno más natural: el universo rebelde donde todo comenzó.

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Rahul Rao es un ex pasante y escritor científico colaborador de Popular Science desde principios de 2021. Cubre la física, el espacio, la tecnología y sus intersecciones entre sí y todo lo demás. Contacta con el autor aquí.