Un grupo de jóvenes investigadores de la Universidad de Sonora (Unison) participará en el experimento Solenoide Compacto de Muones (CMS, por sus siglas en inglés), del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), para estudiar el bosón de Higgs popularmente conocido como la "partícula de Dios" que, a seis años de que se descubrió —responsable de dar masa a la materia que conforma todo lo que nos rodea—, aún guarda varios enigmas.
Se trata de los doctores José Benítez Rubio, Alfredo Castañeda Hernández, Javier Alberto Murillo Quijada, Daniel Tapia Takaki y Lizardo Valencia Palomo, quienes hasta hace un par de años eran becarios del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) y ahora son los titulares de la colaboración entre la Unison y el LHC.
Pese a que la Unison desde hace algunos años tenía a destacados científicos involucrados en la física de altas energías, no contaba con un grupo dedicado a la física experimental de esta disciplina. Fue hasta el verano de 2017 que este grupo de jóvenes científicos impulsó la creación de la Academia de Altas Energías en el Departamento de Investigación en Física (Difus).
La creación de esta academia fue bien acogida por el doctor Enrique Velázquez Contreras, nuevo rector de dicha universidad y quien tiene la firme convicción de internacionalizar tanto los programas académicos como los de investigación de esta casa de estudios.
Así que al tener el respaldo de su institución, de sus colegas y de Conacyt, los jóvenes científicos buscaron todos los mecanismos para establecer una colaboración formal con la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).
Los doctores ya conocían los mecanismos dado que realizaron algunas estancias en el CERN durante sus posgrados; además, el trabajo del grupo mexicano que los antecede ha sido destacado y reconocido por sus colegas de otros países.
La Unison en el CERN
El pasado 9 de febrero, la Unison fue aprobada como miembro completo de la colaboración CMS, así dicha institución se une a un grupo selecto de cuatro universidades en el país que participan en este experimento de alto impacto —el cual contribuyó al descubrimiento del bosón de Higgs.
Daniel Tapia Takaki, líder del grupo, explicó que esta membresía permite la participación de estudiantes de nivel licenciatura y posgrado de la Unison en investigaciones que se hacen en este experimento; asimismo, establece responsabilidades de la institución y de sus integrantes a este proyecto.
Esta colaboración —que se formalizó el 19 y 20 de febrero durante la visita de una delegación de la Unison y del rector Enrique Velázquez Contreras— permite el desarrollo de proyectos de alto impacto no solo en el área de altas energías, también en física médica, electrónica, cómputo y muchas otras, en las que la Unison tiene planes de participar con estudiantes e investigadores.
CMS y el Higgs
Solenoide Compacto de Muones es uno de los cuatro experimentos principales del LHC: A Large Ion Collider Experiment (ALICE), A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) y Large Hadron Collider Beauty Experiment (LHCb).
José Benítez Rubio, investigador de la Unison, explicó que CMS es un experimento multipropósito, es decir, tiene un programa de investigación en física de partículas que es bastante amplio, ya que abarca desde el estudio de los bloques fundamentales del universo (como son los quarks y el bosón de Higgs), hasta la caracterización del plasma de quarks y gluones (QGP, por sus siglas en inglés).
Asimismo, en CMS se realiza la búsqueda de partículas supersimétricas y exóticas, esto es, que no se encuentran dentro del modelo estándar, el cual hasta ahora es la mejor teoría que hay para describir las partículas o “ladrillos” fundamentales del universo.
En este sentido, el grupo de la Universidad de Sonora realizará investigaciones en física de Higgs, las cuales consistirán en estudiar las diferentes maneras en que el bosón de Higgs puede decaer o desintegrarse en otras partículas.
Hasta el año pasado, el proyecto CMS ha podido estudiar, por primera vez, el decaimiento favorito del bosón de Higgs, que es en una pareja de quarks b. A pesar de que este decaimiento ocurre en 60 por ciento de los casos, había sido muy difícil observarlo.
“Ahora el siguiente paso es utilizar la técnica experimental usada en dicho estudio para buscar posibles desviaciones del modelo estándar. Existe mucha expectativa por la nueva ventana de oportunidades que esto representa para buscar partículas exóticas”, expresó emocionado Benítez Rubio.
En búsqueda de partículas exóticas
Alfredo Castañeda Hernández, investigador de la Universidad de Sonora, explicó que también se trabajará en la búsqueda de partículas exóticas como los bosones “a”, los cuales tienen la propiedad de estar relacionados con la materia oscura.
“La materia oscura es un tipo de partículas invisibles a la luz y a la radiación electromagnética, es algo misterioso, se conoce muy poco de ella, y científicos tienen evidencia que la materia oscura representa 20 por ciento del total de materia en el universo”.
Para realizar dichos estudios también se necesita estudiar el bosón de Higgs, en esta ocasión, en su decaimiento a cuatro leptones (por ejemplo, a cuatro muones) porque aquí es donde se espera que podría verse por primera vez el bosón “a”, que es básicamente otra partícula predicha por la teoría, la cual resulta muy interesante porque es probable que tenga su origen en la materia oscura.
La sopa primitiva
El grupo de científicos mexicanos también estudiará las propiedades del plasma de quarks y gluones que es una mezcla muy densa y caliente que se formó en los primeros instantes luego de la gran explosión que dio origen al universo.
La densidad del QGP es tan elevada que una pieza del tamaño de la cabeza de un alfiler contiene tanta materia como la Gran Pirámide de Egipto; y su temperatura es mil veces mayor que la temperatura interna del sol, de acuerdo con el libro El gran colisionador de hadrones y el proyecto ALICE, del físico mexicano Gerardo Herrera Corral.
Este plasma solo existió unos microsegundos, ya que después se enfrió lo suficiente como para formar los protones y neutrones que conforman los átomos, los cuales a su vez forman todo lo que nos rodea.
Actualmente esa “sopa primitiva” aún es un misterio para los científicos, ya que esta etapa del universo solo puede ser estudiada llevando la materia a condiciones de alta densidad de energía, explicó Lizardo Valencia Palomo, investigador de la Unison.
A Valencia Palomo le interesa estudiar si es posible crear en el laboratorio el QGP en colisiones de protones, en lugar de colisiones con iones pesados. De lograrse esto, significaría que esta sopa primordial puede encontrarse también en otros lugares y condiciones en el universo, que no se habían contemplado hasta ahora.
Ir hacia la luz
Javier Murillo Quijada, investigador de la Unison, también trabajará en el estudio de colisiones de iones pesados, en particular con núcleos de plomo acelerados a muy altas energías, pero él lo hará con la finalidad de utilizar los intensos campos eléctricos y magnéticos que se producen en el LHC cuando circulan los iones antes de que estos choquen.
Una gran variedad de procesos físicos resulta como consecuencia de la luz inducida por dichos campos. El grupo de la Unison desea estudiar en CMS, entre otras cosas, decaimientos que involucren el quark top.
“Estudiar el quark top en colisiones inducidas por la luz permitirá buscar posibles desviaciones con respecto al modelo estándar, lo cual es una alternativa que solo podrá ser explorada con las nuevas mediciones que se realizarán en los próximos años”.
Al mismo tiempo, el grupo desea utilizar este tipo de procesos electromagnéticos para investigar la estructura interna de los núcleos y protones antes de colisionar. Conocer la estructura interna de estas partículas es esencial para poder entender los mecanismos que llevan a formar el plasma de quarks y gluones.
Mexicanos brillarán en CMS
El grupo de investigadores de Sonora también formalizó su participación en el detector Beam Radiation Instrumentation and Luminosity (BRIL) de CMS, que realiza el monitoreo de la luminosidad y niveles de radiación que se presentan en las colisiones del LHC.
“El proyecto BRIL se encarga básicamente de dos cosas: la medición de la luminosidad (número de colisiones por unidad de tiempo) y niveles de radiación en el experimento. La primera medición es fundamental ya que todos los análisis de física la usan para llevar a cabo los análisis de datos que resultan en las publicaciones y se necesita que la luminosidad sea lo más precisa posible, mientras que la segunda permite estimar la dosis de radiación a la cual los detectores son expuestos y, de esta manera, evitar posibles daños a su estructura y dispositivos electrónicos”, explicó Daniel Tapia Takaki.
En BRIL, los científicos de la Universidad de Sonora trabajarán no solo en la simulación de los niveles de radiación en el experimento y el posible impacto en los diferentes subdetectores, además en el desarrollo de nuevos prototipos de detectores basados en diamantes, y se unirán al desarrollo de la nueva fase de los detectores Pixel Luminosity Telescope (PLT) y del Beam Condition Monitor (BCM), en el que actualmente colaboran solo instituciones de Estados Unidos y de Europa.
Aplicaciones de la física de altas energías
Alfredo Castañeda Hernández explicó que trabajarán en conjunto con el grupo de física de radiaciones, el cual cuenta con una amplia experiencia en el estudio del diamante, toda vez que el diamante es ideal para utilizarse como detector de partículas debido a su alta resistencia a la radiación; el detector BCM está basado en diamante, y es un material que se utiliza en CMS y en otros experimentos de altas energías.
También existen varios planes de colaboración con grupos internos de la universidad con experiencia en física médica, particularmente en detección de cáncer de mama, sobre todo en el uso de técnicas de análisis de física de partículas que puedan aplicarse en el estudio de imágenes médicas.
Para estos proyectos, varios departamentos de ingenierías de la Unison han sido considerados para participar en esta nueva colaboración con el CERN, a través de proyectos que involucran las áreas de cómputo, electrónica y mecatrónica.
Una mirada al futuro
La colaboración tanto del grupo de la Unison como de las otras cuatro instituciones mexicanas se está preparando para la fase 2 del experimento, la cual se espera que empiece en 2025.
Esta segunda fase se ha denominado High Luminosity LHC, debido a que se incrementará la intensidad de las colisiones, esto generará más luminosidad y más partículas, por lo tanto es más probable encontrar eventos raros o partículas exóticas.
En esta etapa se esperan producir alrededor de 15 millones de bosones de Higgs por año, mientras que entre 2011 y 2012 se produjeron 1.2 millones, de acuerdo con estimaciones del CERN.
“En la etapa 2 se espera recabar 10 veces más información en términos del número de eventos, lo cual constituye un gran desafío tanto en el sistema de cómputo como en los equipos y detectores que se utilizan para realizar las mediciones que resultan en análisis de física”, indicó el investigador Daniel Tapia Takaki.
Para 2025, todos los detectores actuales tendrán que ser cambiados por nuevos, utilizando una tecnología mucho más avanzada, y el grupo de la Unison desea contribuir en diseño y construcción de la próxima generación de detectores para medir luminosidad y radiación, dentro del proyecto BRIL.
“Con la fase 2 del experimento vendrán nuevos retos tanto en análisis de física como en el desarrollo de detectores, y representa una excelente oportunidad para que la actual y una nueva generación de investigadores y estudiantes mexicanos se unan a dichos proyectos científicos”.
Con este trabajo que se tiene proyectado —aunado al arduo trabajo de científicos mexicanos que les precede—, el grupo de jóvenes investigadores de la Universidad de Sonora pretende dejar un legado importante en el desarrollo de innovaciones en materiales y electrónica para la próxima generación de detectores de luminosidad y de radiación, realizando investigación en varios temas de física de altas energías y así contribuir a entender mejor los misterios que aún guarda celosamente la naturaleza.
