A veces, la máquina encargada de facilitar descubrimientos asombrosos necesita un poco de tiempo de inactividad. Aquí, un trabajador de mantenimiento inspecciona el túnel del LHC el 19 de noviembre, 2013. Vladimir Simicek / isifa / Getty Images A veces, son las pequeñas cosas las que te vuelven loco. A principios del siglo XX, los físicos parecían tener el universo bastante bien cosido, entre la gravedad newtoniana y las ecuaciones electromagnéticas de Maxwell. Solo había un problema persistente:cómo explicar la radiactividad. Abordarlo provocó una revolución científica que reveló la asombrosa verdad sobre las pequeñas cosas:a veces contienen universos.
Física de partículas y mecánica cuántica, las ciencias de lo verdaderamente diminuto, trajo a la física dos fuerzas fundamentales más y una colección de extrañas partículas elementales, pero después de la década de 1970, poco quedaba más que probar y refinar la teoría dominante, los modelo estandar . Otros 30 años de motas subatómicas producidas por aceleradores y colisionadores llenaron espacios en blanco clave, sin embargo, quedaban muchas preguntas:¿Por qué algunas partículas tenían masa y otras no? ¿Podríamos unificar las cuatro fuerzas fundamentales o hacer que la relatividad general y la mecánica cuántica se lleven bien?
¿Uno de estos hilos colgantes provocaría otra revolución? Descubrirlo requeriría una mayor mas poderoso colisionador de partículas que nunca antes, un anillo de 16.8 millas (27 kilómetros) de imanes superconductores más frío que el espacio exterior, capaz de golpear partículas juntas a la velocidad de la luz en un vacío ultra alto. El 10 de septiembre 2008, este Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de $ 10 mil millones, el esfuerzo colaborativo de cientos de científicos e ingenieros a nivel mundial, se unió al campus de aceleradores de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) y pronto batió récords de colisión de partículas.
Echemos un vistazo a lo que hemos aprendido hasta ahora, comenzando con el descubrimiento más famoso de todos.
El profesor Peter Higgs visita la exposición 'Colisionador' del Museo de Ciencias de Londres el 12 de noviembre. 2013. Creo que es seguro decir que Higgs y sus colegas no previeron el alboroto del bosón de Higgs. Peter Macdiarmid / Getty Images En nuestro mundo macro, asumimos que todas las partículas tienen masa, sin embargo pequeño. Pero en el micro mundo teoría electrodébil , que une las fuerzas electromagnéticas y débiles en una fuerza subyacente, predice que partículas especiales llamadas mediadores no debería tener masa en absoluto; que es un problema, porque algunos de ellos lo hacen.
Los mediadores son portadores de fuerza: Fotones transmitir electromagnetismo, tiempo Bosones W y Z llevar una fuerza débil. Pero mientras que los fotones no tienen masa, Los bosones W y Z tienen un peso sustancial, del orden de 100 protones cada uno [fuente:CERN].
En 1964, El físico Peter Higgs de la Universidad de Edimburgo y el equipo de François Englert y Robert Brout de la Universidad Libre de Bruselas propusieron de forma independiente una solución:un campo inusual que transportaba masa en función de la intensidad con la que interactuaban las partículas. Si esto Campo de Higgs existió, entonces debería tener una partícula mediadora, a bosón de Higgs . Pero se necesitaría una instalación como el LHC para detectarlo.
En 2013, Los físicos confirmaron que habían encontrado un bosón de Higgs con una masa de aproximadamente 126 gigaelectronvoltios (GeV), la masa total de aproximadamente 126 protones (la equivalencia de masa-energía permite a los físicos usar los electronvoltios como unidad de masa) [fuentes :Das]. Lejos de cerrar los libros Esto abrió nuevas áreas de investigación sobre la estabilidad del universo, por qué parece contener mucha más materia que antimateria, y la composición y abundancia de materia oscura [fuentes:Siegfried].
¡Detecta quarks! El fallecido físico teórico Nathan Isgur muestra un modelo de parte de una máquina para observar el comportamiento de los quarks. El precio (en 1981) era de 83 millones de dólares. Ron Bull / Toronto Star a través de Getty Images En 1964, dos investigadores que luchan por dar sentido a hadrones - partículas subatómicas afectadas por la fuerza fuerte - se les ocurrió individualmente la idea de que estaban formadas por una partícula constituyente con tres tipos. George Zweig los llamó ases; Murray Gell-Mann los apodó quarks y etiquetó sus tres tipos, o sabores, como "arriba, "abajo" y "extraño". Los físicos identificarían más tarde otros tres sabores de quark:"encanto, " "arriba y abajo."
Durante muchos años, Los físicos dividieron los hadrones en dos categorías basándose en las dos formas en que los quarks los hacían: bariones (incluidos protones y neutrones) estaban compuestos por tres quarks, mientras que mesones (como piones y kaones) fueron formados por pares quark-antiquark [fuentes:CERN; SAO]. ¿Pero eran estas las únicas combinaciones posibles?
En 2003, investigadores en Japón encontraron una partícula extraña, X (3872) , que parecía estar hecho de un quark encanto, un anticharm y al menos otros dos quarks. Mientras explora la posible existencia de la partícula, los investigadores encontraron Z (4430) , una partícula aparente de cuatro quarks. Desde entonces, el LHC ha descubierto evidencia de varias de estas partículas, que rompen - o al menos doblan sustancialmente - el modelo establecido para arreglos de quarks. Tales partículas Z son fugaces, pero puede haber prosperado durante un microsegundo más o menos después del Big Bang [fuentes:O'Luanaigh; Diep; Conceder].
Un trabajador se encuentra debajo del Solenoide Compact Muon (CMS), un detector de uso general en el LHC. Algunos físicos han tenido grandes esperanzas de que el detector descubra evidencia para reforzar SUSY. Fabrice Coffrini / AFP / Getty Images Teóricos avanzados supersimetría , apodado SUSY , para hacer frente a varios problemas persistentes que el modelo estándar dejó sin respuesta, como por qué algunas partículas elementales tienen masa, cómo el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles podrían haberse unido una vez y, posiblemente, de qué está hecha la materia oscura. También estableció una tentadora relación entre los quarks y leptones que componen la materia y el bosones que median sus interacciones. Como los bariones mencionados anteriormente, Los leptones (como los electrones) pertenecen a un grupo de partículas subatómicas llamadas fermiones que tienen propiedades cuánticas opuestas a los bosones. Todavía, según SUSY, cada fermión tiene un bosón correspondiente, y viceversa, y cada partícula puede transformarse en su contraparte [fuentes:CERN; Siegried].
Si es verdad, SUSY significaría que los dos tipos de partículas elementales (fermiones y bosones) son simplemente dos caras de la misma moneda; eliminaría ciertas cantidades infinitas descontroladas que surgen en las matemáticas al permitir que las partículas correspondientes se cancelen; y dejaría espacio para la gravedad, una omisión evidente en el modelo estándar, porque las conversiones fermión-bosón y bosón-fermión podrían involucrar gravitones , los portadores de fuerza de gravedad teorizados desde hace mucho tiempo.
Los físicos esperaban que el LHC encontrara evidencia para apoyar a SUSY o revelara problemas más profundos que apuntarían hacia un nuevo territorio teórico y experimental. Hasta aquí, ni parece haber sucedido, pero no descarte la supersimetría todavía. SUSY existe en muchas versiones, cada uno vinculado a supuestos particulares; el LHC simplemente ha seleccionado algunas de las variedades más elegantes y probables.
La sopa del día en el CERN es un abundante plasma de quark-gluón. Wavebreakmedia Ltd / Wavebreak Media / Thinkstock Cuando los científicos que calibraban los instrumentos del LHC se saltaron las habituales colisiones protón-protón y optaron por embestir protones en núcleos de plomo, notaron un fenómeno sorprendente:los caminos aleatorios que normalmente tomaba la metralla subatómica resultante habían sido reemplazados por una aparente coordinación.
Una teoría avanzada para explicar el fenómeno dice que el impacto creó un estado exótico de la materia llamado plasma de quark-gluón (QGP) , que fluía como un líquido y producía partículas coordinadas a medida que se enfriaba. Tanto Brookhaven National Laboratories como el LHC han creado previamente QGP, la forma más densa de materia fuera de un agujero negro, colisionando iones pesados como el plomo y el oro. Si QGP de una colisión protón-plomo resulta posible, podría afectar significativamente las ideas de cómo los científicos ven las condiciones inmediatamente después del Big Bang, cuando QGP tuvo su breve apogeo. Solo hay un problema:la colisión no debería haber tenido suficiente energía para producir la supuesta sopa de quarks [fuentes:CERN; Conceder; Roland y Nguyen; Que].
Aunque la mayoría de los físicos favorecen esta idea a pesar de sus problemas, Algunos han abogado por una segunda explicación que involucra un campo teórico creado por gluones , las partículas que median fuerza fuerte y pegan quarks y antiquarks en protones y neutrones. La hipótesis dice que los gluones que se desplazan a una velocidad cercana a la de la luz forman campos que los hacen interactuar. Si es correcto, este modelo podría proporcionar información valiosa sobre la estructura y la interacción de los protones [fuentes:Grant].
Seiscientos millones de colisiones de partículas por segundo pueden generar una gran cantidad de datos y, como consecuencia, análisis. Probablemente sea seguro decir que los datos del LHC producirán muchas más sorpresas. Fabrice Coffrini / AFP / Getty Images Por ilógico que parezca, muchos físicos esperaban que el LHC hiciera algunos agujeros en el modelo estándar. El marco tiene problemas, después de todo, y tal vez uno o dos descubrimientos trascendentales confirmarían la supersimetría, o al menos apuntar hacia nuevas vías de investigación. Como mencionamos, aunque, el LHC ha asestado golpes repetidos a la física exótica al tiempo que reconfirma el modelo estándar en todo momento. Otorgado, los resultados no son todos (hay una gran cantidad de datos para analizar), y el LHC aún tiene que alcanzar su energía total de 14 tera-electronvoltios (TeV). Sin embargo, las posibilidades no parecen buenas para hacer que el modelo estándar se vea mal.
O tal vez lo hacen si un informe de 2013 sobre la desintegración del mesón B es una indicación. Muestra los mesones B decayendo en un mesón K (también conocido como un kaon) y dos muones (partículas similares a los electrones), que no levantaría las cejas, excepto que la desintegración siguió un patrón no predicho por el modelo estándar. Desafortunadamente, el estudio actualmente cae por debajo del umbral de bailar en nuestras batas de laboratorio. Todavía, es lo suficientemente alto como para generar esperanzas, y el análisis de datos adicionales podría pasar de la zona roja a la zona de anotación. Si es así, el extraño patrón de descomposición podría ofrecer el primer vistazo de la nueva física que muchos están buscando [fuentes:Johnston; O'Neill].
Tras la finalización del LHC, algunos se preguntaron qué significaría para la física si el bosón de Higgs no apareciera. No era solo la principal razón de ser del destructor de átomos masivo; era una especie de eje del modelo estándar.
Ahora hay un problema mayor e involucra las mediciones de radiación de fondo cósmico realizadas por la segunda generación de la imagen de fondo de polarización extragaláctica cósmica (BICEP2). Si las observaciones de BICEP2 resultan correctas, entonces el campo de Higgs debería haber sido lo suficientemente enérgico durante el Big Bang para causar un Big Crunch inmediato. En otras palabras, si ambas ideas son ciertas, entonces no deberíamos estar aquí para discutir sobre por qué no es posible que ambas sean ciertas.
