De hierros y cables al bosón de Higgs

El símil de un estadio olímpico, la piscina de 50 metros y un puñado de granos de arena

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De hierros y cables  al bosón de Higgs
De hierros y cables al bosón de Higgs  

JÓNATAN PIEDRA FÍSICO DE LA UNIVERSIDAD DE OVIEDO El 4 de julio de 2012 los experimentos ATLAS y CMS han compartido con la comunidad internacional su más reciente hallazgo: una nueva partícula, cuya masa es unas 125 veces la masa del protón, y que probablemente sea el bosón de Higgs.


Lo que mucha gente no sabrá es lo difícil y largo que ha sido el camino andado, desde la concepción del mecanismo de Higgs, hasta su probable descubrimiento. No hablaremos aquí de lo delicado que es acelerar los protones hasta velocidades cercanas a la de la luz, juntar diez mil millones de estos protones y hacerlos colisionar en el acelerador-colisionador LHC. Aquí hablaremos de la cadena seguida en el experimento CMS, desde que recibe una de esas colisiones hasta que los científicos dispersados por todo el planeta las analizan y buscan la aguja del bosón de Higgs en la montaña de agujas del Modelo Estándar de la Física de Partículas.


El LHC llega a producir hasta 600 millones de colisiones por segundo. Lo ideal para CMS sería fotografiar (almacenar) todas y cada una de ellas, pero eso es hoy imposible. No nos queda otra que hacer una selección «al vuelo». Es decir, según nos llegan los 600 millones de colisiones por segundo, tenemos que decidir si esta o aquella colisión la guardamos. ¿Y el resto? Las perdemos para siempre. El número que podemos guardar es de trescientas por segundo...


¿Quiénes serán las elegidas? En una colisión de dos protones puede haber gran variedad de productos: chorros de muchas partículas, muones, electrones, grandes cantidades de energía perdida porque se produjeron neutrinos, etcétera. Si existe un mínimo número de estos productos, la colisión se guarda.


El detector CMS es una gigantesca cámara fotográfica tridimensional (21 metros de largo por 16 de ancho, y 12.500 toneladas), con la nada despreciable cifra de 76 millones de píxeles. Cuando una colisión ocurre dentro de esta cámara fotográfica, y en cuestión de microsegundos, los productos de la colisión ya han atravesado el detector, o se han desintegrado, no dejando más que su rastro. Visto y no visto. Como si sólo viéramos el rastro de un caza de combate que acaba de pasar encima de Oviedo.


Las partículas pueden dejar dos tipos de rastros: puntos o «hits» en los llamados detectores de trazas, y depósitos de energía en los llamados detectores de calorimetría. Pero para completar la información necesitamos, además de los diferentes detectores, un potente campo magnético. ¿Para qué?


Con la incorporación de un campo magnético las partículas cargadas se curvarán, tanto más cuanto más lentas sean. Gracias a que se curvan podemos medir su momento y su carga eléctrica. El campo magnético de CMS es el más potente que se ha construido, con una intensidad de 3.8 Tesla. En comparación, el campo magnético de la Tierra es menor que 0.0001 Tesla. Las partículas neutras son inmunes al campo magnético, pero para ellas tenemos preparados los detectores de calorimetría.


Con la información de los puntos y de los calorímetros se reconstruyen, en tiempos de microsegundos, los componentes de la colisión, y se decide si se acepta o se rechaza. El paso siguiente es transferir, a una velocidad de trescientas por segundo, las colisiones aceptadas fuera del experimento. Éstas se envían a siete centros de computación repartidos por el mundo, se reconstruyen en detalle y se guarda en cintas.


Y aquí es donde empieza, en cierto modo, el análisis de los datos. Los físicos de CMS tienen que leer los millones de colisiones almacenados en estas cintas y extraer las que sean de interés. Pero, ¿cómo? En base al conocimiento existente de la Física de Partículas, gracias al Modelo Estándar podemos predecir los diferentes tipos de colisiones que se van a producir en el LHC. La idea, en principio, es sencilla: comparar la predicción, gracias a simulaciones realizadas por métodos de Monte Carlo, con la medida. Y, de una forma muy simplificada, diremos que hemos descubierto una partícula cuando veamos más medidas de las esperadas, de una forma estadísticamente significativa.


No sé si las siguientes proporciones serán exactas, pero darán una idea de la labor realizada. Imaginemos un estadio olímpico (más de 400 metros de longitud) lleno hasta la bandera, literalmente, de granos de arena. De todos esos granos de arena nos quedamos con los que entran en una piscina olímpica (50 metros de longitud). Y finalmente, cogemos un puñado con la mano. Fácil, ¿no? Ahora imaginemos que cada grano de arena corresponde a una colisión. Las que llenan el estadio son las producidas por el LHC. CMS ha guardado en cinta las que entran en la piscina. Y el bosón recién descubierto está en los granos que se quedan en la mano... ¡después de soltar el puñado que habíamos cogido!


Semejante cadena de tareas no puede ser realizada por unas pocas personas. El mantenimiento del detector las 24 horas del día, siete días a la semana, gente dedicada a transferir los datos, a producir simulaciones, a calibrar los diferentes detectores, a reconstruir los sucesos, a analizar los datos, a interpretar los datos, a arreglar las piezas que, ley de vida, a veces fallan, etcétera, son parte de una lista más amplia de tareas necesarias para sacar unos pocos granos de arena de un estadio olímpico; eso sí, unos granos de arena muy especiales. Este artículo se lo dedico a las más de 3.000 personas que hacemos posible el sueño CMS.

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