Què significa l’actualització del gran col·lisionador d’hadrons per a la física?


El 22 d’abril de 2022, a les profunditats de la frontera franco-suïssa, prop de Ginebra, Suïssa, es van accelerar dos feixos de protons al voltant d’un anell de 27 quilòmetres que van xocar i van crear una pluja de partícules secundàries. L’experiment no és cap novetat per al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. De fet, en xocar amb una injecció de 450 mil milions d’electronvolts (450 GeV), l’experiment està molt per sota de la potència que aquest, l’accelerador de partícules més gran i potent de la humanitat pot aconseguir.

No obstant això, és el que representa aquesta modesta prova de l’LHC el que ha emocionat els físics. La prova marca l’inici d’una nova sèrie d’experiments amb l’LHC que xocarà partícules fins a una energia de 13,6 bilions d’electronvolts (TeV), les col·lisions més potents a l’accelerador fins ara. I aquest és només el començament del que hauria de ser un nou període emocionant per a la física de partícules.

Aquest tercer període experimental de l’LHC, conegut com a Run 3, donarà lloc a una altra pausa prolongada el 2026. Durant una pausa de tres anys que durarà fins al 2029, l’LHC experimentarà la seva transformació més substancial fins ara, completant l’actualització d’alta lluminositat que va començar a 2018. A continuació, la lluminositat de l’LHC s’incrementarà en un factor estimat de 10.

L’LHC mentre estava en mode d’apagat durant el 2019 mentre es continuava treballant en les actualitzacions que faran que l’accelerador de partícules més potent del món esdevingui encara més formidable (Robert Lea)

La lluminositat de l’LHC es refereix al nombre de partícules que és capaç de xocar, i un augment de les col·lisions significa una major possibilitat d’observar física exòtica, fins ara inèdita. Això significa que l’accelerador resultant, el Gran Col·lisionador d’Hadrons d’Alta Lluminositat (HL-LHC) tindrà el poder de sondejar la física que governa l’univers més enllà del que es coneix com a Model estàndard de la física de partícules.

Més enllà del model estàndard

És adequat que sigui l’LHC al qual la humanitat recorre per buscar la física més enllà del model estàndard: la millor descripció que tenim de les partícules i les interaccions que regeixen el món subatòmic. Va ser, al cap i a la fi, amb aquest enorme aparell que es va completar aquest model, ideat per primera vegada el 1971.

El juliol de 2012 en una sala de conferències del CERN a Suïssa es va anunciar el descobriment del bosó de Higgs, detectat pels experiments LHC ATLAS i CMS. El bosó, una partícula que porta força, va representar l’última partícula predita pel model estàndard. Així, el seu descobriment, que guanyaria el Premi Nobel de Física el 2013, va representar la finalització d’aquest model.

A més d’això, com a partícula mediadora de l’anomenat camp de Higgs, el bosó de Higgs és la partícula responsable d’atorgar la seva massa a la majoria dels altres habitants del zoo de partícules. Això vol dir que el seu descobriment també va marcar el problema de llarga data en física de com la majoria de les partícules obtenen la seva massa.

No obstant això, malgrat el sentit de finalitat, aquesta afirmació pot suggerir, aquest no va ser de cap manera l’element final de la física a descobrir. Hi ha elements de la física no descrits pel model estàndard, com la naturalesa de la matèria fosca i el que dóna als neutrins la seva petita massa gairebé insignificant.

De la mateixa manera, encara queden preguntes sobre el propi bosó de Higgs, que no és exactament la partícula que es preveia que existia abans del seu descobriment.

Són aquestes preguntes i trencaclosques persistents que ara l’LHC està en condicions de començar a investigar.

Una imatge que mostra el nombre previst de col·lisions protó-protó a l’LHC després de l’actualització d’alta lluminositat (CERN/ATLAS)

“Hem descobert com partícules com l’electró adquireixen massa mitjançant les interaccions amb el bosó de Higgs, completant el ‘model estàndard’: la teoria més exitosa de la natura coneguda pels humans. No obstant això, hi ha moltes observacions que aquest model no prediu”, diu Salvatore Rappoccio de la Universitat de Buffalo, Nova York, EUA, que busca una nova física mitjançant l’experiment Compact Muon Solenoid (CMS) situat a l’LHC.

Rappoccio li va dir a Elsevier: “Després del descobriment del bosó de Higgs, no s’han observat noves interaccions físiques a l’LHC. Això ens porta a la conclusió que, si existeixen, o bé es troben a energies superiors a la capacitat de l’LHC. [of around 13 TeV] o tenen probabilitats de producció extremadament baixes en les nostres col·lisions i s’amaguen entre processos de fons”.

Una de les preguntes que Rappoccio i el seu equip buscaran respondre és per què el bosó de Higgs descobert a l’LHC és lleugerament diferent de la partícula que prediu el model estàndard.

Una millor comprensió del bosó de Higgs i la física que l’envolta es podria oferir pel fet que l’HL-LHC serà capaç de crear moltes més partícules de les que era capaç l’LHC. El 2017, l’LHC va crear al voltant de 3 milions de partícules de Higgs. Els operadors del CERN estimen que el 2029, el HL-LHC crearà uns 15 milions de bosons de Higgs.

Però, el HL-LHC no només serà capaç de sondejar les lleis de la física a l’univers tal com existeix avui. Potser, encara més impressionant, l’HI-LHC serà capaç de replicar les condicions trobades immediatament després de la Big Bangdonant-nos així la imatge més clara del nostre univers infantil mai.

El gran col·lisionador d’hadrons: viatge de tornada a l’alba de l’univers

L’LHC no només aixafa raigs de protons i tampoc ho farà el seu successor, l’HL-LHC. L’accelerador de partícules més gran del món també és capaç d’aixafar partícules molt més pesades, fins i tot àtoms de l’element ferro despullats d’electrons.

La col·lisió d’ions de ferro és molt menys freqüent a l’LHC que les col·lisions protó-protó, amb un mes a l’any dedicat a aquest tipus d’experiment, però això no vol dir que no hagi estat fructífer. L’any 2020, els investigadors del CERN van poder crear plasma de quark-gluons, un estat de la matèria important perquè existia en els primers moments de l’univers, poc després del Big Bang.

En les condicions extremes creades a l’LHC, els protons i neutrons que componen els ions de plom “es fonen” en el procés alliberant els quarks dels seus enllaços amb els gluons. Observar com el plasma de quark-gluó s’expandeix i es refreda, dóna als investigadors una pista de com va donar lloc a les partícules que formen l’univers a mesura que també es va refredar i expandir en la seva infància.

Aquests estudis també són essencials per entendre les interaccions d’una de les quatre forces fonamentals de l’univers, la força nuclear forta. Aquesta disciplina, coneguda com Cromodinàmica Quàntica (QCD), descriu les interaccions entre quarks i gluons.

L’LHC no és la primera màquina que replica aquest estat de la matèria, però millora els esforços anteriors creant un plasma de quark-gluó més calent, dens i de vida més llarga que permet als físics estudiar aquest estat de la matèria amb un detall sense precedents.

Els quarks i els gluons només es troben normalment continguts dins d’altres partícules com els protons i els neutrons. Només existeixen lliurement a energies increïblement altes com les que existien a l’univers primerenc quan estava en un estat increïblement calent i dens abans que la inflació l’hagués fet expandir i refredar-se.

Una visualització de les col·lisions d’ions pesats detectades per ALICE (CERN/ALICE)

Utilitzant el detector ALICE de l’LHC, els investigadors de l’accelerador han pogut estimar la temperatura del plasma de quark-gluó utilitzant fotons emesos per aquest estat de la matèria, a més de determinar la seva densitat d’energia, ambdós han donat resultats superiors als estimacions anteriors. Els científics del CERN també han pogut utilitzar partícules creades per aquesta densa “sopa” calenta de matèria per investigar la seva forma i altres qualitats.

Gràcies a les actualitzacions del LHC, el detector ALICE, l’instrument clau per mesurar les partícules creades per col·lisions d’ions pesants, ha rebut un impuls massiu.

Durant l’execució 3, el CERN espera que els experiments ATLAS i CMS aconsegueixin més col·lisions que les que s’han aconseguit en els seus altres dos períodes de funcionament combinats, mentre que LHCb augmentarà el seu nombre de col·lisions tres vegades. L’efecte sobre ALICE serà encara més intens, aquest detector en el futur podrà mesurar fins a 50 vegades més col·lisions d’ions pesants que abans.

Més esdeveniments de col·lisió signifiquen crear més plasma de quark-gluons i un estat més durador d’aquesta matèria primordial i proporcionar als investigadors més dades per estudiar les condicions de l’univers primerenc.

“La propera dècada a l’LHC ofereix moltes oportunitats per explorar més el plasma de quark-gluons”, va dir el portaveu de l’experiment d’ALICE, Luciano Musa. Nota de premsa del CERN. “L’esperat augment de deu vegades en el nombre de col·lisions d’ions plom-plom hauria d’augmentar la precisió de les mesures de les sondes conegudes del medi i donar-nos accés a noves sondes. A més, tenim previst explorar les col·lisions entre nuclis més lleugers, que podrien emetre més llum sobre la naturalesa del medi”.