miércoles, 18 de febrero de 2009

La física de alta energía más allá de E=mc²

Cuando se reinicie, el Gran Colisionador de Hadrones será el más grande y de mayor energía colisionador de partículas del mundo. El LHC puede ser el último de su tipo en el esquema de evolución de colisionadores de partículas, de acuerdo con una presentación hecha por Craig Dukes, un físico de partículas de la Universidad de Virginia, en la conferencia de la Asociación Americana para el Avance de la Cienca (AAAS).

Los aceleradores de partículas han alcanzado niveles cada vez más altos de energía a través de los años. Por primera vez en 70 años de investigación en la frontera de la energía, los físicos no están planificando para el futuro una versión más grande del colisionador, dijo Dukes. Los físicos tienen grandes esperanzas en la apasionante investigación que se llevará a cabo en el LHC, pero este no puede responder todas sus preguntas sobre la composición del universo.

Además de la búsqueda para descubrir partículas con el LHC, los físicos están entrando en un campo experimental conocido como la frontera de intensidad. En experimentos en la frontera de intensidad, los físicos utilizan una combinación de haces de partículas intensos y detectores altamente sensibles para observar extraños procesos en la búsqueda de la nueva física. Uno de los beneficios de los experimentos en la frontera de intensidad es que se pueden revelar partículas masivas, incluso sin descubrir y que el LHC no puede crear.

En colisionadores de partículas como el LHC, los físicos utilizan la famosa ecuación de Einstein, E=mc², para la detección de nuevas partículas. Ellos aportan haces de partículas ligeras a muy alta energía que luego se comprimen juntas. Debdo a que la masa es una forma altamente concentrada de la energía, la energía cinética en la colisión brevemente se convierte en partículas que pueden ser más masivas que las que componen los haces de la colisión. Cuanto más energía en la colisión, mayor será la masa de las partículas que los físicos pueden crear.

Es por eso que construyeron el LHC, para acceder a los niveles más altos de la energía en la historia, en la espera de crear partículas teóricas que los colisionadores de baja energía no pueden crear.

Los científicos esperan encontrar partículas como el bosón de Higgs, que según los fisicos teóricos le da masa a la materia. También esperan encontrar partículas supersimétricas, partículas asociadas entre sí que reflejan las partículas conocidas, pero que tienen mucha más masa.

Pero en caso de que las partículas que los físicos buscan demostrar sean demasiado masivas, incluso para el LHC a curiosear desde el vacío, los físicos harán otro crack en la frontera de intensidad. "Con la frontera de la energía, se necesita la máxima energía posible", dijo Dukes. "Lo que usted necesita con la frontera de intensidad son las mayores intensidades posibles".

Este diagrama de Feynman muestra un quark top virtual y un quark anti-top que aparecen en la interacción entre un electrón y un positrón. Cuanto mayor sea la concentración de partículas que los físicos pueden comprimir en un haz en un experimento en la frontera de intensidad, más posibilidades tienen de echar un vistazo a las partículas virtuales en acción.

Según el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, incluso las partículas masivas pueden brevemente entrar y salir de la existencia como partículas virtuales. Cuanto más masiva la partícula, esto sucede con menor frecuencia. Cuando las particulas virtuales decaen, son mucho menos masivas de lo habitual, pero los físicos pueden detectarlo en los experimentos en la frontera de intensidad por el efecto que tienen sobre las interacciones entre otras partículas como kaones y muones.

Al chocar dos haces concentrados de este tipo de partículas entre sí o haciéndolos impactar sobre un objetivo, los físicos los ponen en proximidad con la esperanza de que puedan interactuar. A continuación, estudian las interacciones con detectores ultra sensibles, en busca de resultados inusuales. Se puede identificar la presencia de partículas virtuales involucradas que participan en una interacción por los efectos que producen.

Incluso si el LHC subvenciones físicos la oportunidad de observar las partículas de los físicos buscan directamente, necesitarán experimentos como los de la intensidad de la frontera para hacer mediciones precisas de sus parámetros.

Fuente: Kathryn Grim, "High-energy physics beyond E=mc²", Symmetry Magazine
Imágenes: Fermilab

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