En un túnel circular de 17 millas debajo de la frontera entre Francia y Suiza, una colaboración internacional de científicos realiza experimentos utilizando el instrumento científico más avanzado del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Al aplastar protones que viajan cerca de la velocidad de la luz, Los físicos de partículas analizan estas colisiones y aprenden más sobre la composición fundamental de toda la materia del universo. En años recientes, por ejemplo, estos experimentos mostraron datos que llevaron al premio Nobel por el descubrimiento del bosón de Higgs.

Ahora, un equipo de físicos de partículas experimentales de alta energía, incluidos varios de la Universidad de Kansas, ha descubierto una posible evidencia de una cuasipartícula subatómica denominada "odderon" que, hasta ahora, solo se había teorizado que existía. Actualmente, sus resultados se publican en los servidores de preimpresión arXiv y CERN en dos artículos que se han enviado a revistas revisadas por pares.

"Hemos estado buscando esto desde la década de 1970, "dijo Christophe Royon, Profesor Distinguido de la Fundación en el Departamento de Física y Astronomía de KU.

Los nuevos hallazgos se refieren a los hadrones (la familia de partículas que incluye protones y neutrones), que se componen de quarks "pegados" entre sí con gluones. Estos experimentos particulares involucran "colisiones" donde los protones permanecen intactos después de la colisión. En todos los experimentos anteriores, Los científicos detectaron colisiones en las que participaban solo números pares de gluones intercambiados entre diferentes protones.

"Los protones interactúan como dos grandes semirremolques que transportan coches, del tipo que ves en la carretera, "dijo Timothy Raben, un teórico de partículas en KU que ha trabajado en el odderon. "Si esos camiones chocaran juntos, después del accidente todavía tendrías los camiones, pero los autos ahora estarían afuera, ya no están a bordo de los camiones, y también se producen automóviles nuevos (la energía se transforma en materia) ".

En el nuevo periódico, Los investigadores que utilizan más energía y observan colisiones con más precisión informan sobre la posible evidencia de un número impar de gluones. sin quarks, intercambiado en las colisiones.

"Hasta ahora, la mayoría de los modelos pensaban que había un par de gluones, siempre un número par, ", dijo Royon." Ahora medimos por primera vez el mayor número de eventos y propiedades y en una nueva energía. Encontramos medidas que son incompatibles con este modelo tradicional de asumir un número par de gluones. Es una especie de descubrimiento que podríamos haber visto por primera vez, este extraño intercambio del número de gluones. Puede haber tres cinco, siete o más gluones ".

Los investigadores de KU explicaron que el odderón puede verse como la contribución total que proviene de todos los tipos de intercambio de gluones impares. Representa la participación de los tres, cinco, siete u otros números impares de gluones. Por el contrario, el modelo anterior supone una contribución de todos los números pares de gluones, por lo que incluye contribuciones de dos, cuatro seis o más gluones pares juntos.

En el LHC, el trabajo fue realizado por un equipo de más de 100 físicos de ocho países utilizando el experimento TOTEM, cerca de uno de los cuatro puntos del supercolisionador donde los haces de protones se dirigen entre sí, provocando que miles de millones de pares de protones colisionen cada segundo.

Los investigadores de KU dijeron que los hallazgos brindan nuevos detalles al modelo estándar de física de partículas, una teoría de la física ampliamente aceptada que explica cómo interactúan los componentes básicos de la materia.

"Esto no rompe el modelo estándar, pero hay regiones muy opacas del modelo estándar, y este trabajo arroja luz sobre una de esas regiones opacas, "dijo Raben.

Los físicos han imaginado la existencia del odderon durante muchas décadas, pero hasta que el LHC comenzó a operar a su máxima energía en 2015, el odderon seguía siendo una mera conjetura. Los datos recopilados y presentados en el nuevo documento se recopilaron a 13 teraelectronvoltios (TeV), los científicos más rápidos que jamás hayan podido colisionar protones.

"Estas ideas se remontan a los años 70, pero incluso en ese momento rápidamente se hizo evidente que no estábamos cerca tecnológicamente de poder ver el odderon, así que, si bien hay varias décadas de predicciones, el odderon no ha sido visto, "Dijo Raben.

Según los investigadores de KU, El experimento TOTEM se diseñó para detectar los protones que no son destruidos por la colisión, sino que solo están ligeramente desviados. Entonces, los detectores de partículas TOTEM se colocan a unos pocos milímetros de los haces salientes de protones que no interactuaron. Al comparar los resultados actuales con las mediciones realizadas a energías más bajas utilizando aceleradores de partículas menos potentes, TOTEM ha podido realizar la medición más precisa hasta la fecha.

Los coautores compararon la proporción de firmas de colisiones a varias energías para establecer el "parámetro rho, "una medida que ayudó a construir evidencia de la posible presencia de odderons.

"Si vas a energías realmente altas, hay firmas del comportamiento de los haces colisionados a una energía alta que se puede medir, ", dijo Raben." Pero hay diferentes tipos de firmas de crecimiento de alta energía. Hasta ahora, solo hemos tenido que pensar en un tipo de comportamiento de crecimiento de alta energía. Esencialmente, estas cantidades pueden cambiar en función de la cantidad de energía. El parámetro rho mide esencialmente la relación de una firma a otra de este crecimiento de alta energía ".

Tal medición del parámetro rho se debe al trabajo compartido, colaboración y contribuciones clave, en el hardware de los detectores y, en particular, en el análisis físico, por varios postdoctorados y físicos superiores.

Aparte de Royon, El personal de KU involucrado en los nuevos hallazgos de TOTEM incluye a la investigadora postdoctoral Nicola Minafra, que obtuvo un premio por logros de CMS este año, y los estudiantes de posgrado Cristian Baldenegro Barrera, Justin Williams, Tommaso Isidori y Cole Lindsey. Otros investigadores de KU que participan en el trabajo son Laurent Forthomme, un investigador postdoctoral también basado en el CERN y que trabaja en los experimentos CMS / TOTEM, y el estudiante de posgrado Federico Deganutti, que trabaja con Raben en teoría.

"Nuestros estudiantes provienen de muchas naciones diferentes, "dijo Royon." KU es un trabajo en la frontera de cosas nuevas, y esperamos grandes resultados en los próximos meses o años. Otros esfuerzos de investigación incluyen buscar una dimensión extra en el universo, pero por ahora solo estamos viendo los datos ".

Royon dijo que los detectores de sincronización rápida del experimento TOTEM utilizados para medir el tiempo de vuelo de los protones en el LHC podrían tener muchas aplicaciones en la medicina. física espacial con la NASA para medir los rayos cósmicos, y desalinización de agua de mar, un concepto que el físico de KU está explorando con Mark Shiflett, Profesor Distinguido de la Fundación en la Escuela de Ingeniería de KU.