¿Han perdido evidencia de una nueva física en el Gran Colisionador de Hadrones?

Detector de partículas ATLAS en el LHC en el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra, Suiza. El LHC, construido dentro de un túnel subterráneo con una circunferencia de 27 km, es el acelerador de partículas más grande y potente y la máquina más grande del mundo. Pero solo puede registrar una pequeña fracción de los datos que recopila.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los protones giran simultáneamente en sentido horario y antihorario, y chocan entre sí, moviéndose al mismo tiempo a una velocidad del 99.9999991% de la velocidad de la luz. En dos puntos, donde debería ocurrir la mayor cantidad de colisiones de acuerdo con el esquema, se construyen detectores de partículas enormes: CMS y ATLAS . Después de los miles y miles de millones de colisiones que ocurrieron a energías tan enormes, el LHC nos permitió avanzar más en nuestra búsqueda de la naturaleza fundamental del universo y una comprensión de los componentes básicos de la materia.

En septiembre del año pasado, el LHC celebró 10 años de su trabajo al abrir el bosón de Higgs, que se convirtió en su principal logro. Pero, a pesar de estos éxitos, no se descubrieron nuevas partículas, interacciones, desintegraciones o nuevas físicas fundamentales. Y lo peor de todo, la mayoría de los datos recibidos del LHC se pierden para siempre.


La colaboración de CMS, cuyo detector se puede ver en la foto antes del ensamblaje final, ha publicado los resultados más completos de su trabajo. No hay signos de física que vayan más allá del modelo estándar .

Este es uno de los acertijos más oscuros de la física de alta energía, al menos para la gente común. El LHC no solo perdió la mayoría de los datos: perdió un increíble 99.997% de ellos. Exactamente esto: de cada millón de enfrentamientos que tienen lugar en el LHC, solo quedan 30 registros.

Esto sucede cuando es necesario, debido a las restricciones impuestas por las leyes de la naturaleza, así como a las capacidades de la tecnología moderna. Pero esta decisión va acompañada de una sensación de miedo, intensificada por el hecho de que no había nada más abierto que el esperado bosón de Higgs. El temor es que haya una nueva física esperando ser descubierta, pero la extrañamos, desechando todos los datos necesarios.


Evento candidato para cuatro muones en el detector ATLAS. Las huellas de muones y antimuones se muestran en rojo, y los muones de larga vida viajan más que cualquier otra partícula inestable. Este es un evento interesante, pero por cada evento grabado, hay un millón descartado.

Pero no tuvimos elección. Algo tendría que dejarse caer de todos modos. El LHC funciona acelerando los protones a una velocidad cercana a la luz, lanzándolos en direcciones opuestas y empujándolos juntos. Entonces, los aceleradores de partículas funcionaron mejor durante varias generaciones. Según Einstein, la energía de una partícula es una combinación de su masa en reposo (que puede reconocer como E = mc ² ) y la energía del movimiento, también conocida como cinética. Cuanto más rápido se mueva, o más precisamente, más cerca esté de la velocidad de la luz, más energía de partículas podrá obtener.

En el LHC, colisionamos protones a velocidades de 299 792 455 m / s, solo 3 m / s no alcanzan la velocidad de la luz. Al colisionarlos a velocidades tan altas, cuando se mueven en la dirección opuesta, hacemos posible la existencia de partículas que no podrían aparecer en otras condiciones.


El interior del LHC, donde los protones vuelan a velocidades de 299 792 455 m / s, está a solo 3 m / s sin alcanzar la velocidad de la luz.

La razón es esta: todas las partículas (y antipartículas) creadas por nosotros tienen una cierta cantidad de su energía inherente en forma de masa en reposo. Cuando dos partículas chocan, parte de esta energía debe ir a los componentes individuales de estas partículas, a su energía en reposo y a la energía cinética (es decir, la energía del movimiento).

¡Pero si hay suficiente energía, parte de ella puede ir a la producción de nuevas partículas! Aquí la ecuación E = mc ^{2 se} vuelve más interesante: el punto no es solo que la energía E es inherente a todas las partículas de masa m, sino también que con suficiente energía disponible para nosotros, podemos crear nuevas partículas. En el LHC, la humanidad ha alcanzado mayores energías en colisiones que generaron nuevas partículas que cualquier otro laboratorio en la historia.


Los físicos observaron el LHC en busca de signos de una gran cantidad de opciones para una física potencialmente nueva, desde mediciones adicionales y materia oscura hasta partículas supersimétricas y agujeros negros microscópicos. Pero a pesar de todos los datos recopilados en estas colisiones de alta energía, nunca se encontró evidencia de estos escenarios.

Cada partícula representa aproximadamente 7 TeV de energía, es decir, cada protón recibe energía cinética, que es 7000 veces mayor que su energía en reposo. Sin embargo, rara vez se producen colisiones, y los protones no solo son pequeños, sino que están vacíos. Para aumentar la probabilidad de una colisión, debe tomar más de un protón a la vez; Los protones se inyectan en grupos.

Esto significa que a plena potencia dentro del LHC, durante su funcionamiento, muchos pequeños grupos de protones se apresuran en sentido horario y antihorario. La longitud de los túneles del LHC es de aproximadamente 26 km, y cada grupo de protones está separado por solo 7,5 M. Estos rayos de protones se comprimen antes de la interacción en el punto central de cada detector. Y cada 25 nanosegundos existe la posibilidad de una colisión.


El detector CMS en CERN es uno de los dos detectores más potentes jamás creados. En promedio, cada 25 nanosegundos en su centro chocan con nuevos grupos de partículas.

Entonces que hacer? ¿Cuenta con un pequeño número de colisiones y registra cada una de ellas? Esto será un gran desperdicio de energía y datos potenciales.

En cambio, bombeamos bastantes protones en cada grupo, y cada vez que encontramos rayos tenemos buenas posibilidades de colisiones de partículas. Y cada vez durante una colisión de este tipo, las partículas explotan en todas las direcciones dentro del detector, lanzando circuitos y componentes electrónicos complejos, permitiéndonos recrear lo que se creó, cuándo y en qué lugar del detector. Esto es como una explosión gigantesca, y solo midiendo todas las piezas de metralla que salieron volando, podemos recrear lo que sucedió (y esas cosas nuevas que creamos) en el momento del brote.


Evento de bosón de Higgs en CMS en LHC. La energía de esta espectacular colisión es 15 órdenes de magnitud menor que la energía de Planck, pero son precisamente las medidas exactas del detector las que nos permiten recrear lo que sucedió en el punto de la colisión.

Sin embargo, esto plantea el problema de recopilar y registrar todos los datos. Los detectores son grandes en sí mismos: CMS que mide 22 my ATLAS 46 m. ​​En cualquier momento, las partículas que se originan en tres colisiones diferentes aparecen dentro del CMS, y de seis en ATLAS. Para registrar datos, debe seguir dos pasos:

1. Los datos deben transferirse a la memoria del detector, limitada por la velocidad de la electrónica. Aunque las señales eléctricas viajan casi a la velocidad de la luz, solo podemos "recordar" aproximadamente una de cada quinientas colisiones.
2. Los datos en la memoria deben escribirse en el disco (u otro medio permanente), y esto sucede mucho más lentamente que escribir datos en la memoria. Tienes que decidir qué almacenar y qué tirar.

Diagrama esquemático de cómo se introducen los datos en el sistema, se lanzan los sensores, se analizan y se envían para su almacenamiento permanente. Este es un gráfico para ATLAS, es ligeramente diferente de un gráfico para CMS.

Utilizamos algunos trucos para garantizar la elección sabia de los eventos. Examinamos inmediatamente muchos factores de colisión para determinar si los estudiamos con más cuidado o no: esto es lo que llamamos un desencadenante. Pasando el gatillo, pasamos al siguiente nivel. (Además, se retiene una pequeña fracción de los datos que no pasaron el disparador, en caso de que aparezca una señal interesante, para la cual no pensamos hacer un disparador). Luego se aplica una segunda capa de filtros y disparadores; Si el evento resulta ser lo suficientemente interesante como para guardarlo, ingresa al búfer para garantizar su grabación en el medio. Podemos garantizar que cualquier evento marcado como "interesante" se conserva, junto con una pequeña fracción de eventos poco interesantes.

Dado que estos dos pasos son necesarios, podemos ahorrar solo 0.003% para un análisis posterior.


Candidato para el bosón de Higgs en el detector ATLAS. Incluso con signos obvios y pistas que corren lateralmente, la presencia de una gran cantidad de otras partículas es visible; todo porque los protones son partículas compuestas. Esto solo funciona porque Higgs agrega masa a los componentes fundamentales de estas partículas.

¿Cómo sabemos que almacenamos la información necesaria? Aquellos en los que la creación de nuevas partículas probablemente se registra, la importancia de las nuevas interacciones es visible, ¿se observa una nueva física?

Cuando los protones colisionan, en su mayor parte nacen partículas normales, en el sentido de que consisten casi por completo en quarks superiores e inferiores. (Estas son partículas como protones, neutrones y piones). La mayoría de las colisiones ocurren al pasar, es decir, la mayoría de las partículas chocarán con el detector en o contra la dirección del movimiento.


Los aceleradores de partículas en la Tierra, como el LHC en el CERN, pueden acelerarlos a una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz, pero aún no alcanzarla. Los protones son partículas compuestas, y debido al movimiento a una velocidad cercana a la luz, después de las colisiones, la dispersión de nuevas partículas va en dirección contraria a la dirección del movimiento o no.

Por lo tanto, en el primer paso, tratamos de estudiar los rastros de partículas de energías relativamente altas, que van en la dirección transversal, y no hacia adelante o hacia atrás en la dirección de los rayos. Estamos tratando de escribir en los eventos de memoria del detector que, en nuestra opinión, tienen la mayor cantidad de energía libre E para crear nuevas partículas de la masa m más alta posible. Luego, escaneamos rápidamente lo que hay en la memoria del detector para averiguar si vale la pena escribir estos datos en el disco. Si es así, estos datos se pueden poner en cola para almacenamiento permanente.

Como resultado, cada segundo puede guardar 1000 eventos. Este número puede parecer grande, pero tenga en cuenta que unos 40,000,000 grupos de protones colisionan cada segundo.


Rastros de partículas debido a colisiones de alta energía - imagen 2014 LHC. Solo se registra y guarda una de las 30,000 colisiones de este tipo, la mayor parte se pierde.

Creemos que actuamos de manera inteligente, eligiendo y manteniendo exactamente lo que conservamos, pero no podemos estar 100% seguros. En 2010, el centro de datos del CERN alcanzó un hito increíble: 10 petabytes de datos. A finales de 2013, ya contenía 100 petabytes; en 2017, se aprobó una marca de 200 petabytes. Pero para todos estos volúmenes, sabemos que arrojaron, o no pudieron grabar, 30,000 veces más datos. Podríamos recolectar cientos de petabytes, pero rechazamos y perdimos muchos zettabytes de datos para siempre: se trata de más datos de los que crea Internet en un año .


La cantidad total de datos recopilados en el LHC está muy por delante de la cantidad total de datos enviados y recibidos a través de Internet en los últimos 10 años. Pero solo el 0.003% de estos datos fueron grabados y guardados; todo lo demás está perdido para siempre.

Es muy probable que el LHC creara nuevas partículas, viera evidencia de nuevas interacciones, observara y registrara todos los signos de la nueva física. Además, debido a nuestra falta de conocimiento sobre el tema de las búsquedas, es posible que descartemos todo esto y continuemos haciéndolo. La pesadilla sobre la falta de física fuera del Modelo Estándar se está haciendo realidad. Sin embargo, la verdadera pesadilla radica en la posibilidad muy plausible de que exista una nueva física, construimos la máquina ideal para sus búsquedas, la encontramos, pero no nos dimos cuenta, debido a nuestras decisiones y suposiciones. La verdadera pesadilla es que nos estamos engañando a nosotros mismos al creer en el Modelo Estándar, solo porque hemos estudiado el 0.003% de los datos disponibles. Creemos que hemos tomado una decisión inteligente al guardar los datos seleccionados, pero no podemos estar seguros de ello. Es posible que nosotros mismos, sin saberlo, incurramos en esta pesadilla.

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