Inicio Volumen 8 Número 47 En Busca del Origen de la Masa

En Busca del Origen de la Masa

Si bien el siglo XX ha sido pródigo en avances en el entendimiento de la naturaleza, la verificación del mecanismo mediante el cual las partículas adquieren una de sus propiedades básicas, la masa, está todavía por ocurrir. Experimentos efectuados en los grandes aceleradores actuales, y propuestos para los futuros, se proponen encontrar una respuesta final que corrobore o refute las teorías existentes acerca del origen de la masa.

Cerca de la ciudad de Ginebra, en Suiza, debajo de las montañas de Jura y dentro de un túnel de 27km de circunferencia, está instalado uno de los aceleradores de partículas más grandes del mundo. En el mismo lugar se está planeando la construcción de otro, de mayor envergadura aún, con el cual cientificos de distintos países tratarán de entender mediante el trabajo mancomunado, uno de los misterios más profundos de la naturaleza: el origen de la masa.

Comparada con las velocidades que estamos habituados a observar, la velocidad de la luz es realmente enorme. Caminamos rápido a una velocidad de 1 metro por segundo. La ciudad de La Plata se desplaza a una velocidad de 450m por segundo con respecto al centro del planeta, llevada por la Tierra durante su rotación diaria de 24 horas. Se mueve además, aproximadamente, a 30.000 metros por segundo con respecto al Sol en su giro alrededor de este. Si observamos la galaxia más próxima, veremos que se aparta de la nuestra con una velocidad de 62.000 metros por segundo. En todo caso, si bien estas velocidades son fantásticas, resultan todavía pequeñas comparadas con la velocidad de la luz.

Viajando a 300.000.000 metros por segundo (o 30cm cada billonésima parte de un segundo), la luz se desplaza con la mayor velocidad alcanzable en nuestro universo. Tan sólo en un segundo, la luz podría dar ocho vueltas alrededor de nuestro planeta. A velocidades próximas a la de la luz hoy entendemos, después de los trabajos de Einstein, que nuestra intuición, basada en experiencias cotidianas, no es válida. Imaginémonos viajando en una nave que, hipotéticamente, pueda moverse a velocidades próximas a la de la luz. Empezamos nuestro viaje a una velocidad de unos pocos metros por segundo y, a medida que aceleramos, comenzamos a notar que todos los relojes fuera de nuestra nave comienzan a atrasar. Este efecto se hace más marcado cuanto mayor es nuestra velocidad. Notamos también que la distancia entre dos puntos, externos a la nave y medida en la dirección de nuestro movimiento, se hace más y más corta. La dilatación de los intervalos temporales y la contracción de las longitudes se acentúan al acercarnos a la velocidad de la luz hasta tal punto que, en el caso del reloj, las agujas prácticamente no se mueven y, entre los dos puntos mencionados, la distancia tiende a cero. Si todas y cada una de las partículas de este mundo (nosotros incluidos) pudieran moverse siempre a la velocidad de la luz, las cosas serían muy diferentes de como las vemos cotidianamente.

Para acelerar partículas con masa (y naves, por supuesto) hay que gastar tanta más energía cuanto más nos aproximemos a la velocidad de la luz, un hecho que dificulta enormemente la posibilidad real de nuestro viaje imaginario a estas velocidades. El problema es que cuanto más nos acercamos a la velocidad de la luz, más aumenta nuestra inercia (masa), y la energía necesaria para la aceleración resulta cada vez mayor. Tan sólo aquellas partículas que no tienen masa (como las que componen la luz misma, llamadas fotones) pueden viajar a esta velocidad. Es más, todas las partículas que no tienen masa deben viajar siempre a la velocidad de la luz, ni más ni menos.

Para describir los fenómenos que se manifiestan en el mundo de las partículas que viajan a altísimas velocidades, los físicos crearon una teoría basada en ideas a la vez profundas y elegantes acerca de las posibles simetrías de la naturaleza; una teoría relativamente simple, que nos permite hacer predicciones sobre los resultados que obtendremos en nuestros experimentos con una precisión de una parte por billón. Esta teoría, que recibe el nombre de Modelo Estándar, y que hasta hoy no ha mostrado ninguna inconsistencia, fue elaborada hace aproximadamente 30 años, a partir de los requerimientos de simetría conocidos como principios de "gauge" (véase "Las teorías de gauge"). Ella describe las interacciones de todas las partículas elementales (para una introducción al Modelo Estándar (véase "El último quark. Análisis de un evento", de A. Etchegoyen; CIENCIA HOY 26).

Hasta la formulación del Modelo Estándar el problema de las teorías de "gauge" consistía en que, si bien sencillas, elegantes y consistentes desde el punto de vista matemático, aquellas presentaban una fuerte limitación al tratar de describir interacciones que no respetasen la simetría especular (O "simetría de espejo") característica de las fuerzas que diferencian la derecha de la izquierda. En este caso, se requieren mediadores con masa (partículas que "median" la interacción entre otras dos) y las teorías basadas en simetrías de "gauge" sólo admitían, hasta entonces, mediadores de masa nula. El electromagnetismo, la primera teoría de "gauge", no sufre esta limitación porque las interacciones electromagnéticas, de largo alcance, están mediadas por fotones que, como ya lo enunciamos, no tienen masa. La fuerza débil, que distingue derecha de izquierda (se dice que viola la conservación de la paridad), es de muy corto alcance y requiere, por lo tanto, mediadores con mucha masa. Esta fuerza es la responsable, por ejemplo, del decaimiento beta en los núcleos atómicos. El principio de "gauge" en consecuencia, no sirve como generador de una teoría para estas interacciones, al menos en su forma original.

En 1965 se encontró una solución a este problema. La idea sugerida fue reemplazar las masas de las partículas por un campo de fuerzas existente en el vacío, de manera tal que las partículas, las cuales se supone no tienen masa, la adquieren a través de la interacción o "fricción" con este campo. Resulta así que las partículas que interactúan más fuertemente son las que adquieren mayor masa; mientras que aquellas que no la poseen, simplemente pasan por el campo como si este no existiera. El campo al que nos hemos referido se denominó campo de Higgs, en reconocimiento al Prof. Peter Higgs de la Universidad de Edimburgo, Escocia, quien fue el primero en utilizar este concepto, aunque aplicado a estudios en materia condensada.

A esta altura el lector desprevenido podría pensar que esta idea parece muy forzada, una fantasía creada por los físicos para aferrarse a la elegancia que ofrecen las teorías de "gauge". Sin embargo, las predicciones surgidas del modelo, así construido, son excelentes y para eso remitimos al lector al recuadro "Éxitos del Modelo Estándar".

De todas formas, no debemos perder de vista el hecho de que la física es una ciencia experimental y, si bien hemos creado una teoría para explicar el origen de la masa, es nuestra obligación investigar todas las consecuencias que esto acarrea y no contentarnos con haber descubierto una manera posible de compatibilizar una teoría de "gauge" con mediadores con masa. La consecuencia más obvia del mecanismo propuesto es que, de existir verdaderamente el campo de Higgs, deberían observarse sus excitaciones (o vibraciones). A estas manifestaciones de un campo se las denomina partículas y, consecuentemente, el campo de Higgs debería originar partículas de Higgs.

Para poner de manifiesto la existencia de estas partículas, se requieren energías muy grandes. Nuestros actuales grandes aceleradores han comenzado a explorar la región donde "el Higgs" podría manifestarse. Se trata de los mismos aceleradores que se emplean, por otra parte, para penetrar profundamente en la estructura interna de la materia. Uno de ellos se halla en el Laboratorio Europeo de Física de Altas Energías (CERN), creado nueve años después de la segunda guerra mundial, donde trabajan alrededor de 2000 científicos de todo el mundo empeñados en desentrañar la estructura de la materia a las escalas más pequeñas. Este laboratorio alberga a LEP (Large Electron Positron collider) un acelerador de electrones y positrones -antipartículas del electrón-, ubicado dentro de un túnel subterráneo de 27km de circunferencia que cruza en su trayecto la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra. Allí, electrones y positrones, antes de chocar unos con otros, son acelerados hasta una velocidad tan próxima a la de la luz que, tal como lo predice la teoría de la relatividad, llegan a tener una masa 100.000 veces mayor de la que tenían cuando se hallaban en reposo.

Figura : EL ACELERADOR LEP EN CERN

Izq.: Vista aérea del acelerador LEP (Large Electron-Positron Collider) ubicado en el Centro Europeo de Investigaciones Nuecleares (CERN). Der.: Se observan mas de cuatro áreas experimentales correspondientes a los detectores ALEPH, DELPHI, L3 y OPAL. Estas áreas experiemtales están construidas en sitios subterráneos de aproximadamente 20m x 60m x 35m de altura. En la Superficie, se encuentran los edificios con todos los servicios para el acelerador y los experimentos.
Izq.: Vista aérea del acelerador LEP (Large Electron-Positron Collider) ubicado en el Centro Europeo de Investigaciones Nuecleares (CERN). Der.: Se observan mas de cuatro áreas experimentales correspondientes a los detectores ALEPH, DELPHI, L3 y OPAL. Estas áreas experiemtales están construidas en sitios subterráneos de aproximadamente 20m x 60m x 35m de altura. En la Superficie, se encuentran los edificios con todos los servicios para el acelerador y los experimentos.

Sólo en cuatro áreas localizadas del túnel se permite la colisión de los electrones con los positrones. Cuando esto sucede, se aniquilan entre sí y convierten toda su masa en energía. Esta se suma a la energía de movimiento que cada uno lleva, lo que origina, en una región del espacio muy pequeña, la aparición de una enorme cantidad de energía. Tal concentración de energía es inestable, por lo que es seguida inmediatamente por la generación de varios tipos de partículas que son luego recogidas en detectores instalados en cada punto de la intersección. Nuestro grupo del Departamento de Física de la Universidad Nacional de La Plata, trabaja en uno de estos detectores, el llamado L3, cuya descripción y actividad se explica más detalladamente en los recuadros "Detectando las partículas" y "La Física con L3".

De entre todas las colisiones que tienen lugar (denominadas "eventos") tratamos de encontrar si alguna de ellas puede ser consistente con la producción y decaimiento de una partícula de Higgs. Claro que, de todos los eventos recogidos, hay muchos que pueden confundirse con una partícula de Híggs. Hasta este momento, hemos estudiado con L3 unos 10 millones de eventos y sólo identificamos unos pocos candidatos con características similares a las que indicarían la aparición de un "Higgs". Si esta partícula tuviese una masa pequeña, seria más fácil de producir. Tomando en cuenta las predicciones para el número de eventos esperados y el número real de candidatos encontrados, podemos afirmar que la masa de la partícula de Higgs debe superar los 77GeV (GigaelectrónVolt, una unidad de energia que equivale a una masa de 2x10-24 gramos) con una certeza del 95% (significa que hay todavía una probabilidad del 5% de que la masa del "Higgs" sea menor que 77GeV). Para dar una idea de la magnitud de la masa mencionada, es necesario tener presente que 1GeV es, más o menos, la masa de un átomo de hidrógeno (o un protón), a su vez aproximadamente, 2000 veces más pesado que un electrón.

Uno de los problemas con que nos encontramos cuando tratamos de entender el origen de la masa a través del campo de Higgs, es que no hay restricciones teóricas que limiten claramente la masa de la partícula de Higgs. El Modelo Estándar da un probable limite superior de, aproximadamente, 1000GeV (equivalente a 1TeV o TeraelectrónVolt), una energía superiora las que podemos acceder actualmente con LEP.

Existe un nuevo proyecto, aprobado recientemente en el CERN, denominado LHC (Large Hadron Collider) o gran colisionador de hadrones", el cual se construirá en el mismo túnel donde funciona LEP. El rango de energías de este nuevo "colisionador" de protones contra protones se extiende hasta los 14TeV (14.000GeV) de manera que cubrirá la gama completa en la que el "Higgs" debería ser detectado si el Modelo Estándar fuese correcto. ¿Y si no se encuentra el Higgs? De no poder identificar a la partícula de Higgs con los experimentos que se realicen en el LHC, habríamos hecho en sí mismo un gran descubrimiento. La propia estructura de la teoría predice que, de no encontrarse una partícula de Higgs con masa menor de 1000GeV, algo nuevo y diferente deberá manifestarse en estos experimentos. Más allá de las muchas ideas y modelos posibles que los físicos teóricos elaboran, e independiente de cualquiera de ellos, la disyuntiva es clara. o se encuentra el "Higgs" en la forma simple en que lo presenta el Modelo Estándar, o deberá manifestarse experimentalmente algún otro mecanismo alternativo para el origen de la masa.

Si bien la perspectiva es excitante y desafiante, se trata sólo de una parte de lo que hay por investigar. Es mucho lo que aprenderemos haciendo experimentos con el LHC. Basta mencionar, por ejemplo, que tan sólo el primer día de experimentos van a poder recogerse más eventos que contengan un quark top (véase "El último quark. Análisis de un evento", de A. Etchegoyen; CIENCIA HOY 26) que todos los obtenidos en el laboratorio Fermilab en los Estados Unidos (donde funciona el acelerador hadrónico más grande en la actualidad) en varios años. Es posible también, que descubramos nuevas fuerzas y simetrías que sólo se manifiesten a energías tan grandes como las que serán alcanzadas con el LHC. Puede ayudarnos a explorar, por ejemplo, una de las ideas más atractivas en física actual, como es la existencia de una simetría entre las partículas que forman la materia, como los electrones y los quarks, con aquellas cuyos intercambios producen las fuerzas, como los gluones y los fotones. Esta "supersimetría", como en realidad se la denomina, puede conducirnos a un nuevo tipo de unificación: el de las fuerzas y la materia.

El LHC se utilizará también para acelerar núcleos pesados, lo que permitirá obtener colisiones con energías todavía más grandes. Las condiciones extremas de densidad de energía y temperatura que se alcanzarán, permitirán aumentar las posibilidades de observar nuevas fases de la materia reproduciendo en el laboratorio las condiciones existentes durante el nacimien to del universo.

En Busca del Origen de la Masa

LAS TEORÍAS DE GAUGE

La idea subyacente en las teorías de "gauge" es la existencia de la simetría homónima y, para comprenderla, debemos primero entender el concepto de simetría. llustrémosla con un ejemplo. Si alteramos la posición de un objeto y, después de realizado el cambio, no tenemos forma de notarlo, decimos que hay una simetría asociada a ese cambio y a ese objeto. Una esfera, por ejemplo, bajo cualquier rotación alrededor de su centro, permanece sin variaciones aparentes, por lo que afirmamos que la esfera es simétrica frente a rotaciones arbitrarias. En el caso de un cubo, sólo ciertas rotaciones lo dejan invariante frente al observador. Por ejemplo, las de 90 grados alrededor de cualquiera de los ejes perpendiculares a las caras y que pasan por el centro de ellas. Notablemente, simetrías de este tipo tienen una importante aplicación en las teorías cuánticas de campo utilizadas para describir los fenómenos fundamentales de la naturaleza. Debemos mencionar que existen no sólo transformaciones en el espacio y el tiempo sino también en espacios abstractos, internos, asociados a las propiedades de las partículas elementales.

La simetría de "gauge" (la palabra "gauge" fue utilizada por primera vez por Weyl en un artículo publicado en 1918 como una traducción libre del alemán al inglés y su significado es indistintamente: "calibre", "trocha" o "escala") supone que las leves de la naturaleza no cambian cuando se modifica la escala ("gauge") en cada punto del espacio-tiempo. Si bien la invariancia de "gauge" propuesta por Weyl (cambio de escala) no es la de uso más general, la idea sirvió de base para otro tipo de modificaciones de variables complejas: en vez de cambiar la escala se consideran cambios de fase. Si las propiedades físicas no varian bajo transformaciones de "gauge" arbitrarias en cada punto del espacio y en cada instante, debe haber claramente alguna conexión entre los extremos de los intervalos espaciales y temporales. Esta conexión es, precisamente, el origen de las fuerzas de "gauge"" que, por otro lado se corresponden perfectamente con las observadas en los experimentos. Algunas de estas fuerzas se manifiestan en forma macroscópica, como sucede con las fuerzas electromanégticas y gravitatoria. Otras tienen un radio de acción tan pequeño que las conocemos por sus manisfestaciones indirectas. Ese es el caso de la fuerza debil (responsable de la desintegración de algunas partícutas elementales) y de la fuerzá fuerte (que mantiene unidos a los quarks dentro de los protones y neutrone, los cuales a su vez forman los nucleos atómicos).

ÉXITOS DEL MODELO ESTÁNDAR

La teoría del electromagnetismo o QED (Quantum Electro Dynamics) es la teoría cuántica de campos mejor estudiada. Ha predicho algunos efectos de la fuerza electromagnética con una precisión de una parte en 100 millones, efectos que luego fueron efectivamente observados. La fuerza de repulsión o atracción entre cargas de igual o distinto signo, así como la fuerza magnética se interpretan, en el marco de esta teoría y a nivel microscópico, como el intercambio de fotones entre partículas cargadas eléctricamente. QED es una teoría de "gauge".

En la década de 1980, los intentos realizados para describir las interacciones débiles a partir de simetrías de "gauge" concluyeron mostrando que tal teoría sólo era factible si se incluían, junto con la débil, a las interacciones electromagnéticas. Nació así la llamada teoría alectrodábil la cual predice, además del fotón, la existencia de los mediadores débiles W (cargados) y Z° (neutro) con masas de casi 100 veces la masa del protón. El descubrimiento de estas partículas en el CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas) en 1982 fue uno de los logros científicos más significativos del siglo XX.

Para ilustrar la tarea realizada en la figura 1, se muestran las distribuciones de pares de quarks y antiquarks en función de la energía a partir de las cuales se deduce la masa del bosón Z°. Combinando los resultados de los cuatro experimentos de LEP, la masa del bosón Z° resulta ser de 91,187 0,003GeV.

Figura 1. Al chocar un electrón con un positrón se producen pares de quarks-antiquarks y de leptones-antileptones. Los pares de quark-antiquark forman los hadrones que son luego detectados en los calorímetros. La probabilidad de formación se mide en unidades de área y se denomina "sección eficaz". La mayor probabilidad ocurre cuando el electrón y el positrón se aniquilan a una energía iguala la masa del bosón Zº (que así determina). El ancho de la distribución da idea del número de pares q-q y I-I a los que puede decaer el bosón una vez formado. Los datos de esta curva se ajustan bien si se supone que sólo hay tres familias de leptones (N=3) y son hoy la mejor evidencia de la existencia de sólo tres familias (no dos ni cuatro) en la naturaleza.
Figura 1. Al chocar un electrón con un positrón se producen pares de quarks-antiquarks y de leptones-antileptones. Los pares de quark-antiquark forman los hadrones que son luego detectados en los calorímetros. La probabilidad de formación se mide en unidades de área y se denomina "sección eficaz". La mayor probabilidad ocurre cuando el electrón y el positrón se aniquilan a una energía iguala la masa del bosón Zº (que así determina). El ancho de la distribución da idea del número de pares q-q y I-I a los que puede decaer el bosón una vez formado. Los datos de esta curva se ajustan bien si se supone que sólo hay tres familias de leptones (N=3) y son hoy la mejor evidencia de la existencia de sólo tres familias (no dos ni cuatro) en la naturaleza.

Para las fuerzas fuertes se dispone actualmente de una teoría de "gauge" que asigna a cada quark un nuevo tipo de carga llamada "color". Parecido pero distinto de la carga eléctrica el "color" no está relacionado con el concepto análogo que usamos en la vida cotidiana (los físicos tienen el hábito de denominar conceptos abstractos con los nombres de cosas más familiares). Por ser una teoría de "gauge" como QED y por el uso de la palabra "color", se la denomina cromodinámica cuántica o QCD (Ouantum Chromo Dynamics). En QCD las fuerzas entre quarks se interpretan como el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones.

El acelerador LEP y el detector L3 se emplean también para estudiar las interacciones fuertes. Uno de los resultados posibles de la colisión entre un electrón y un positrón (electrón con carga positiva) es la producción de pares de quarks y antiquarks (Figura 2), los que dan lugar inmediatamente a un "chorro" de partículas observables en los experimentos (los quarks y los gluones no pueden existir como partículas libres). Si un giuón es emitido por alguno de los quarks, el resultado final no son dos, sino tres chorros de partículas. La Figura 2 muestra un evento con estas características visto por el detector L3.

Figura 2 (a y b) Evento de dos chorros (a) y de tres chorros (b) reconstruidos a partir de los datos recogidos por el detector L3. Las líneas en el detector central representan las trazas de las partículas cargadas. El tamaño de las barras en el calorímetro electromagnético y el de las cajas en el calorímetro hadrónico (para una descripción del calorímetro de L3, ver recuadro "Detectando Partículas") se corresponden con la cantidad de energía depositada en ese punto.
Figura 2 (a y b) Evento de dos chorros (a) y de tres chorros (b) reconstruidos a partir de los datos recogidos por el detector L3. Las líneas en el detector central representan las trazas de las partículas cargadas. El tamaño de las barras en el calorímetro electromagnético y el de las cajas en el calorímetro hadrónico (para una descripción del calorímetro de L3, ver recuadro "Detectando Partículas") se corresponden con la cantidad de energía depositada en ese punto.

La teoría QCD sirvió para predecir correctamente el ritmo de desintegración y las distribuciones angulares entre los tres chorros. Estos eventos son considerados como la evidencia más convincente de la existencia de los gluones y la confirmación de sus propiedades y sus interacciones con los quarks. Los eventos de la figura son representaciones diferentes de dos eventos distintos, reconstruidos por computadora y presentados de manera conveniente para su visualización. Las posibles representaciones gráficas constituyen una especialización en la física de altas energías y la ciencia de computación:un arte en sí mismo.

DETECTANDO PARTÍCULAS

Los detectores utilizados en la física de partículas están diseñandos para el experimentador pueda de entre una serie de eventos, decidir cuales son los más interesantes, identificar las partículas en ellos involucradas y medir su energía y su impulso (masa por velocidad de movimiento). Estos detectores tienen capas de subdetectores alrededor de un punto de interacción dispuestos en la forma de una cebolla cilindrica cuyos extremos están cerrados con otros subdetectores, a fin de que casi ninguna partícula producida en la interacción escape de la detección. La figura muestra una sección de un detector de este tipo.

Rosa: los detectores de trazas permiten reconstruir el punto de origen común de las partículas descubiertas y medir su impulso.

Verde: el calorímetro electromagnético absorbe y mide la energía de los elementos y fotones producidos.

Violeta: el calorímetro hadrónico debe absorber y medir la energía de todas las partículas que interactuan fuertemente y aquellas de los chorros de partículas. Un chorro es un conjunto de partículas que forman conos estrechos en los caminos de los quarks y gluones provenientes de una colisión.

Anaranjado: El imán permite separar las partículas de acuerdo con el signo de su carga electrica y curvar sus trayectorias a fin de poder determinar su impulso. En el ejemplo de la figura se supone que el campo magnético es perpendicular a la página y por lo tanto, las partículas cargadas se curvan en el plano de la página.

Celeste: Las cámaras más externas de detección de trazas nos permiten medir el impulso de los muones mas energéticos que no fueron detenidos en los calorímetros.

La hermeticidad es muy importante en estos detectores ya que la presencia de ciertas particulas, como los neotrinos que no dejan información en ellos, debe deducirse a partir del cálculo de la energía faltante en la colisión una vez reconstruido el evento observado.

En general, las partículas producen señales en los subdetectores, que luego son captadas con electrónica externa a l detector. Estas señales, que se leen, procesan y almacenan en lo que se denomina un sistema de adquisición de datos, se transmiten a través de redes de alta velocidad para ser analizadas luego en computadores.

masa06

El detector L3 del LEP, con el cual trabaja el grupo de física experimental de alta energía de la Universidad Nacional de La Plata, está diseñado para estudiar colisiones entre electrones y positrones con energías de hasta 200GeV. El propósito es realizar medidas de alta resolución de señales de electrones, fotones y muones. Todos los subdetectores están instalados dentro de un imán de 7200 toneladas que proporciona un campo magnético de 0,5Tesla (10.000 veces más grande que el campo magnético terrestre). El detector de trazas consiste de dos cámaras de deriva cilíndricas coaxiales (ver "El ultimo quark. Análisis de un evento" de A. Etchegoyen; CIENCIA HOY 26 para una descripción de las cámaras de trazas). Para medir con mayor precisión la coordenada z de las partículas cargadas (la posición a lo largo del eje que contiene al haz) una "cámara Z" rodea a la anterior, formada por dos cámaras proporcionales (cámaras que dan señales proporcionales a la energía depositada por las partículas). El calorímetro electromagnético está compuesto por, aproximadamente, 11.000 cristales de BGO (Óxido de Bismuto y Germanio) que apuntan hacia la región de interacción. Estos poseen excelente resolución en energía (2%) y posición (menor de 0,5 grados) para la detección de fotones y electrones en un amplio rango de energías (desde 0,1 hasta 100GeV). La energía de los hadrones (partículas que experimentan las fuerzas fuertes) que emergen de las colisiones, se mide por la técnica de absorción total con el calorímetro electromagnético y el calorímetro hadrónico. Este último está hecho con placas absorbentes de uranio y latón intercaladas con cámaras proporcionales de hilo. Los chorros de partículas, reconstruidos a partir de la información obtenida en los calorímetros, tienen una resolución angular de aproximadamente dos grados y la energía total de estos eventos hadrónicos puede medirse con una resolución del 10% La capa más externa del detector el espectrómetro de muones, consiste en tres capas de cámaras de deriva que miden con altísima precisión la trayectoria del muón. Para muones de 45GeV, que penetran en las tres camaras, la resolución fraccional en el impulso es del 2,4%.

Esquema del detector L3 Esquema del detector L3

LA FÍSICA CON L3

A partir de los datos recogidos con el detector L3, en la desintegración de los bosones Z° producidos en LEP, fue posible realizar las pruebas más rigurosas que debió pasar el Modelo Estándar de las interacciones electrodébil y fuerte. Entre los principales resultados, podemos mencionar la determinación de todas las propiedades de la partícula Z°. Medidas muy precisas permitieron mostrar que su desintegración en pares de particulas-antipartículas, ocurre a un ritmo que se explica con exactamente tres tipos de neutrinos, y por ende, únicamente tres familias de materia. (Por razones completamente misteriosas, se observan dos copias inestables y de mayor masa de las partículas que participan de nuestra vida cotidiana.) Se han presentado resultados relacionados con la interacción electrodébil de los leptones y los quarks, a partir del estudio de sus mecanismos de producción (corrientes neutras o interacciones con el mensajero masivo sin carga, el bosón Z°) y posterior decaimiento (corrientes cargadas, interacciones con los mensajeros masivos cargados, W+ y W-) los cuales proporcionan determinaciones precisas de sus constantes de acoplamiento. En particular, se ha enfatizado el estudio de los quarks y leptones más pesados, es decir el quark b y el lepton tau.

Las medidas pertinentes a las interacciones fuertes de quarks y gluones proporcionan una gran variedad de pruebas muy precisas de QCD, y es la más destacada la determinación de la constante de acoplamiento fuerte con una precisión del 3%. El diseño de L3 permite la búsqueda de nuevas particulas e interacciones tanto en el marco del Modelo Estándar como fuera de él, siendo claramente la más importante la búsqueda de la partícula Higgs.

EL FUTURO GRAN ACELERADOR

Planeado para el 2005, el "gran colisionador de hadrones" o LHC (Large Hadran Collider) hará chocar protones contra protones y generará energías de hasta 14.000GeV, suficiente para descubrir si la particula de Higgs realmente existe. Para este proyecto se instalarán tan sólo dos detectores: ATLAS y CMS.

Los problemas técnicos que los experimentadores deberán afrontar serán muy grandes: cada 25 billonésima parte de un segundo, cada detector recibirá los resultados correspondientes a colisiones de hasta 20 protones entre sí, y todas al mismo tiempo. Si recordamos que en ese intervalo la luz recorre sólo ocho metros, para detectores del tamaño de los proyectados, el desafío de almacenar y reconstruir los eventos supera los límites de la tecnología actual. Sin embargo, las simulaciones prueban que será posible realizar el experimento e interpretar los resultados.

Figura 1. Diseño del futuro detector de CMS por instalarse en el LHC (CERN)
Figura 1. Diseño del futuro detector de CMS por instalarse en el LHC (CERN)

Una partícula de Higgs puede manifestarse de diferentes formas al final de su corta vida. Si su masa es mayor que 130GeV (o sea, mayor que 2,6 x 10-22 gramos) podría desintegrarse en cuatro leptones de alta energía (electrones o muones). En la figura II se ve que el reconocimiento de un evento interesante sólo puede realizarse con la ayuda de una computadora, mirando aquellas partículas que tienen mayor energía, y consecuentemante, trazas más rectas. Así aparecerá con claridad la desintegración en cuatro muones a partir de una partícula de Higgs.

Figura 2. Simulación de un evento correspondiente a una partícula de Higgs producida en el LHC decayendo sin muones (a) y con ellos (b) (indicados en amarillo)
Figura 2. Simulación de un evento correspondiente a una partícula de Higgs producida en el LHC decayendo sin muones (a) y con ellos (b) (indicados en amarillo)

Agradecimientos
Queremos agradecer a nuestros amigos y colegas en L3 y en nuestros departamentos de física. En particular a Luis Epele, carlos García canal, carlos Hojvat, Lucas Taylor y al Prof. S.C.C. Ting, líder del experimento L3. También agradecemos a la oficina de prensa del CERN y en particular, a Neil calder por proporcionarnos las fotografías y a Almendra, La Plata, por su estimulante atmósfera.

Lecturas Sugeridas

DOVA, M.T. y SWAIN J., con la colaboración de L3, "Results from the L3 Experiment at LEP", Physics Reports, 236: 1-146

ETCHEGOYEN, A., 1994, "El Ultimo Quark. Análisis de un Evento", Ciencia Hoy, 26: 33-41

HALZEN, F. Y MARTIN, A. D., 1984. Quarks and Leptons: An introductory Course in Modern Particle Physics, John Wiley and Sons.

TREFIL, J., 1994. "From Atoms to Quarks : An Introduction to the Strange World of Particle Physics", Anchor (existe versión en castellano)

WEINBERG, S., 1993. The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe, Basic Books.

María Teresa Dova

María Teresa Dova

Departamento de Física,Universidad Nacional de La Plata
John D. Swain

John D. Swain

Department of Physics, Northeastern University, Boston, Massechussetts, EE.UU.
Ciencia Hoy
Ciencia Hoy