Los físicos de partículas sueñan con un colisionador de muones

Jul 13, 2023

Después de años de languidecer en la oscuridad, las propuestas para un colisionador de muones están ganando impulso entre los físicos de partículas

Los físicos de partículas no son evangelistas, pero en artículos, conferencias y con camisetas, calcomanías y memes, muchos de ellos están difundiendo la buena palabra sobre un colisionador de muones, una máquina de próxima generación que aplastaría muones, los primos masivos de los electrones. En un manifiesto de 2021, “La guía del aplastador de muones”, los partidarios de las partículas expusieron su caso. "Construimos colisionadores no para confirmar lo que ya sabemos, sino para explorar lo que no sabemos", escribieron. "Los muones están llamando y debemos irnos".

Para sus defensores, el atractivo de un colisionador de muones es su potencial para combinar las fortalezas de dos tipos de colisionadores existentes. Estas enormes máquinas generalmente hacen chocar protones o electrones en anillos subterráneos. Al registrar las consecuencias de estos choques, los físicos pueden recopilar información sobre la disposición de la tierra subatómica. Cada método tiene sus pros y sus contras. Los protones pesados, cada uno de los cuales es en realidad un haz repleto de partículas más pequeñas y fundamentales, crean colisiones desordenadas, obstruidas por escombros y de alta energía. Los electrones ligeros chocan limpiamente pero a energías más bajas.

La principal instalación actual, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), destruye protones para sondear los límites del Modelo Estándar, la teoría que sirve como mapa del territorio más fundamental del universo. Como mapa, el modelo estándar ha tenido un éxito rotundo. Representa con precisión el panorama conocido de las partículas elementales y las fuerzas que las conectan, tan bien que cualquier desviación de la teoría genera titulares. Pero como todos los mapas, el Modelo Estándar tiene límites: no incluye la gravedad y actualmente carece de respuestas a misterios como la identidad de la materia oscura.

Los físicos nunca han logrado hacer colisionar muones, principalmente porque las partículas viven apenas 2,2 microsegundos antes de desintegrarse. Si se pudiera controlar a los muones, se crearían colisiones limpias y de alta energía, ideales para explorar más allá de las fronteras del modelo estándar. En los muones, “la naturaleza nos brindó un regalo; deberíamos aprovecharlo”, sostiene Patrick Meade, teórico de la Universidad de Stony Brook.

El destino de cualquier colisionador futuro depende del aliteradamente llamado Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas (P5), un comité de alto poder que se reúne cada década para establecer agendas de investigación y recomendar financiación para proyectos clave. El informe P5 se publicará este otoño y muchos físicos esperan que incluya un fuerte impulso para un colisionador de muones.

No hay garantías de que cualquier futuro colisionador encuentre nuevas partículas, pero sus defensores están entusiasmados con el potencial de descubrimiento que encierran los muones. El futuro con un verdadero colisionador de muones sigue siendo lejano. Incluso en la línea de tiempo más rápida y optimista, un colisionador de muones no se activaría hasta dentro de al menos dos décadas. Pero los físicos ya sueñan con dónde explorar con muones. "Tenemos la oportunidad de hacer algo sin precedentes", dice Cari Cesarotti, teórica del Instituto Tecnológico de Massachusetts. “Los obstáculos que había hace 10 años se están disolviendo. ¡Ahora es el momento! Entonces para mí es como, ¿por qué no querrías hacerlo?

El problema de los muones es que mueren. Durante su corta vida, es necesario enfriarlos, enfocarlos y acelerarlos hasta casi la velocidad de la luz. El enfoque más viable comienza con hacer pasar los muones a través de un medio como el hidrógeno líquido, que agota su energía. Luego, potentes imanes pueden enfocar los muones y acelerarlos hasta formar un bucle donde colisionan antes de desintegrarse. Durante décadas han existido variaciones de este plan: un diseño fue apodado "el Guggenheim" debido a su parecido con la explanada en espiral del museo.

Con curiosidad sobre cuán factible era todo esto, en 2011 el Departamento de Energía fundó el Programa Acelerador de Muones (MAP), un pequeño esfuerzo de investigación y desarrollo que investiga la viabilidad de la colisión de muones. Un equipo de físicos de aceleradores se puso a trabajar creando modelos informáticos de colisionadores para ver qué diseños podrían funcionar mejor. Pero justo cuando el esfuerzo despegó, dos descubrimientos aparentemente significaron la desaparición de cualquier colisionador de muones.

Cuando los muones se desintegran, producen neutrinos, partículas insustanciales que apenas interactúan con la materia. Este proceso produce neutrinos de manera tan despilfarradora que “la gente siempre estuvo intrigada por la posibilidad de utilizar muones como fuente de neutrinos”, dice André de Gouvêa, teórico de neutrinos de la Universidad Northwestern. Durante años pareció que construir un colisionador de muones podría ser la única forma de responder si los neutrinos se comportan de manera diferente a los antineutrinos. Pero en 2012, los resultados del Experimento de Neutrinos del Reactor de Daya Bay, un experimento con sede en China que detectó neutrinos de reactores nucleares, mostraron que la pregunta no sería tan difícil de responder. En consecuencia, en lugar de un colisionador de muones, los físicos de neutrinos optaron por seguir adelante con el Experimento Subterráneo de Neutrinos, que actualmente está en construcción en Dakota del Sur.

El golpe decisivo para los colisionadores de muones fue, irónicamente, el descubrimiento del bosón de Higgs, la partícula responsable de dar masa a otras partículas elementales. Aparentemente en el centro de innumerables misterios en el Modelo Estándar, el Higgs obliga a muchos físicos a estudiarlo con el mayor detalle posible produciendo la partícula en masa, y han hecho planes para hacerlo mediante la construcción de las llamadas fábricas de Higgs. Pero para un colisionador de muones, intentar aplastar muones simplemente produciendo bosones de Higgs es el peor de los casos, como usar un helicóptero para comprar alimentos. "Si nos fijamos en las diferentes escalas de energía de los posibles colisionadores de muones, la fábrica de Higgs es una de las más difíciles de construir", admite Mark Palmer, físico de aceleradores y ex director de MAP.

Entonces, en lugar de arriesgarse a intentar construir un colisionador de muones, el informe P5 de 2014 recomendó una mejora que convertiría efectivamente el Gran Colisionador de Hadrones en una fábrica de Higgs. MAP, considerado no esencial, fue eliminado y el programa se disolvió a los pocos años. “Teníamos un gran producto, pero no un buen cliente”, dice Diktys Stratakis, físico de aceleradores del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab), que formaba parte de MAP.

La historia podría haber terminado ahí si no fuera por un grupo de físicos italianos que querían estudiar un nuevo enfoque para generar muones mediante positrones (antipartículas de electrones) sin un complicado proceso de enfriamiento. Pero los italianos empezaban de cero. “No teníamos ningún software. Estaba desesperada”, dice Donatella Lucchesi, física de partículas del Instituto Nacional de Física de Italia. Lucchesi voló al Fermilab, que está en las afueras de Chicago, y suplicó a los físicos del MAP que encontraran el antiguo código, que estaba escondido en una computadora polvorienta y olvidada. (La otra mitad se descubrió más tarde y Lucchesi tuvo que reclutar a un amigo para que la trajera a Italia en una unidad USB).

Aunque el nuevo método de positrones resultó no ser viable, al otro lado del Atlántico, los investigadores estadounidenses habían oído hablar del esfuerzo italiano y comenzaron a investigar las cosas por sí mismos.

Hace una década, muchos físicos radicados en Estados Unidos habían descartado por completo la posibilidad de un colisionador de muones. "Simplemente llegué a la conclusión de que se trataba de una fantasía", dice Nathaniel Craig, teórico de la Universidad de California en Santa Bárbara. Los desafíos técnicos parecían demasiado grandes y no estaba claro por qué podrían ser necesarias las capacidades de un colisionador de muones.

Pero en 2020, cuando los físicos estadounidenses comenzaron a buscar ideas para el futuro de su campo, el panorama de la física había cambiado. Las teorías supersimétricas populares (SUSY), que eran complementos del modelo estándar, habían propuesto un grupo de nuevas partículas homólogas esperando a ser exploradas: el fotón tendría un doppelgänger “fotino”, y así sucesivamente. En principio, estas contrapartes podrían explicar por qué la masa del Higgs es baja y al mismo tiempo servir como excelentes candidatos para partículas de materia oscura. El problema es que desde que descubrió el bosón de Higgs, el LHC no ha encontrado nuevas partículas de estilo SUSY en búsquedas que se han ampliado hasta aproximadamente 1.000 gigaelectrones voltios (GeV).

Esta falta de nueva física (a veces denominada “crisis”) ha obligado a muchos físicos a buscar otras opciones y, en particular, a anhelar colisiones a energías mucho más altas. "Lo que realmente se necesita es una especie de laboratorio de física electrodébil", afirma Craig. A energías extremadamente altas, la fuerza electromagnética, que controla el comportamiento de partículas cargadas como los electrones, y la fuerza débil, que gobierna procesos como las desintegraciones de fisión, se unifican en una fuerza "electrodébil".

Observar la existencia del bosón de Higgs fue un triunfo. Pero, como sostienen Craig y otros, ese descubrimiento fue sólo el “heraldo” de la física electrodébil. A energías más altas y con mediciones de precisión, los físicos esperan plantear más preguntas y más profundas sobre el Higgs: cómo se acopla a otras partículas, por qué su masa es tan pequeña y cuál fue su papel en el universo primitivo. Es una búsqueda esotérica con implicaciones muy reales: si un solo parámetro del Higgs fuera positivo en lugar de negativo, por ejemplo, los átomos nunca se habrían formado porque los electrones sin masa nunca permanecerían en su órbita. "El hecho de que un signo menos determine el hecho de que tú y yo estemos teniendo esta conversación es la cosa más extraña de la naturaleza", dice Meade.

Reorientados por la falta de éxito de SUSY, los físicos examinaron los candidatos a colisionadores en competencia y descubrieron que sólo un colisionador de muones reuniría la energía y la precisión que querían dentro de una sola máquina. Es más, parecía que un colisionador de muones ya no era una fantasía, gracias al trabajo del MAP y del equipo italiano. A principios de 2020, los primeros resultados del tan retrasado Experimento de enfriamiento por ionización de muones demostraron que se podía lograr el enfriamiento de muones. "Tuvimos la oportunidad de observar todo el progreso que se había logrado y llegamos a la conclusión de que, 'Dios mío, tal vez no esté tan lejos como pensábamos originalmente'", dice Sergo Jindariani, físico detector del Fermilab.

Durante la pandemia, Jindariani y sus colegas se reunieron a través de Zoom e intercambiaron ideas sobre formas de resolver los desafíos técnicos restantes, como el temido problema del “fondo inducido por haces”. A altas energías, los muones que se precipitan crean una especie de nube desordenada de energía turbulenta justo antes de una colisión, lo que hace imposible ver nada. Pero con un nuevo diseño que utiliza boquillas de tungsteno y un método de sincronización desarrollado por el LHC, los investigadores ahora creen que podrán filtrar el desorden para ver claramente los muones colisionando.

Aunque un colisionador de muones se está volviendo más factible, muchos físicos cautelosos todavía prefieren otras opciones de colisionador. Algunos tienen esperanzas en el Colisionador Lineal Internacional (ILC), con sede en Japón, una fábrica de Higgs que colisionaría electrones y positrones a bajas energías. Sin embargo, aunque los planes para la ILC están “listos para ser implementados”, sigue en el limbo, a merced de los caprichos del gobierno de Japón. La incertidumbre crea ansiedad y, en privado, algunos físicos dicen que la ILC está muerta.

Los científicos del CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra, que construyó el LHC y es responsable de su funcionamiento, estaban intrigados por la perspectiva de un colisionador de muones, pero no lo suficiente como para desplazar otros planes. Entonces y ahora, el próximo gran avance del CERN ha sido el Futuro Colisionador Circular (FCC), que, si se construyera, tendría una colosal circunferencia de 90 kilómetros. “Un colisionador de muones es un 'Plan B'”, dice Daniel Schulte, físico de aceleradores del CERN y jefe de la Colaboración Internacional sobre Colisionadores de Muones.

La intención es que la FCC comience como una fábrica de Higgs que colisionará electrones y positrones. Pero las perspectivas de todas las fábricas de Higgs se han visto perjudicadas por las actualizaciones de hardware y software del LHC que han aumentado su capacidad para estudiar la partícula. Esa era “parte del territorio que pensábamos que sin duda era el terreno de una fábrica de Higgs”, dice Craig. "El LHC ha logrado avances".

En su búsqueda por alcanzar energías más altas, eventualmente al CERN le gustaría actualizar el FCC para que colisione protones a 100.000 GeV, siete veces más que la capacidad actual del LHC. Pero los plazos son desalentadores. La construcción de la FCC aún no ha comenzado, y se prevé que la instalación debute no antes de 2048. Las colisiones de protones en la FCC no entrarían en funcionamiento hasta alrededor de 2075.

“Eso asusta muchísimo a muchos jóvenes”, dice Meade. "Básicamente estamos diciendo que estas preguntas están fuera de nuestro horizonte y que nadie vivo ahora las responderá". Para los investigadores que inician su carrera, el colisionador de muones tiene un atractivo adicional: en parte debido a su tamaño más pequeño, podría entrar en funcionamiento alrededor de 2045, ofreciendo una mejora energética de época décadas antes de que la FCC colisionara con sus primeros protones.

"Creo que ese fue el punto de inflexión para mí", explica Karri DiPetrillo, física experimental de la Universidad de Chicago. Ella y otros jóvenes físicos han sido una fuerza impulsora detrás de la creciente popularidad del colisionador de muones al dar charlas y tratar de persuadir a colegas de alto nivel más vacilantes. Para una de sus charlas, DiPetrillo incluye una línea temporal de humor morboso: el año 2060 está marcado con “¿Karri se retira?” Y en 2070, años antes del inicio del protón de la FCC, una etiqueta mordaz dice: “¿Karri muere???”

Si algún lugar de Estados Unidos puede considerarse un cementerio de la física de partículas, ese es Waxahachie, Texas. Aparte de algunos edificios anodinos, la característica más notable del paisaje árido es una serie de túneles sin terminar que equivalen a un agujero en el suelo valorado en 2.000 millones de dólares. Estos son los ignominiosos restos del Súper Colisionador Superconductor (SSC), alguna vez visto como el pináculo brillante de los planes de “gran ciencia” de la nación.

Si se hubiera completado, el anillo del SSC habría abarcado 87 km a la redonda y habría aplastado protones a 40.000 GeV. En sus exploraciones de energías hoy inaccesibles, habría encontrado fácilmente el Higgs (y quién sabe qué más) posiblemente más de una década antes que el LHC.

Ninguna razón explica por qué se mató al SSC. La mala gestión presupuestaria, la oposición de otros físicos, la competencia de la Estación Espacial Internacional, el fin de la carta blanca de la era de la guerra fría para la física de altas energías y un desafortunado incidente en el que el entonces presidente George HW Bush vomitó sobre el primer ministro de Japón contribuyeron al fracaso de la SSC. destino funesto.

Durante los últimos 30 años, la cancelación del megaproyecto ha sido un sombrío recordatorio para que los físicos de partículas moderen sus expectativas. El sueño de construir un colisionador de muones es un retorno a la ambición. Tan notable como cualquier otra cosa sobre el colisionador de muones es el entusiasmo que inspira en sus defensores, muchos de los cuales lucen con orgullo prendas con temas de muones. En una charla en Minneapolis este mes de abril, Nima Arkani-Hamed, teórico del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, resumió su defensa de un colisionador de muones: “¡Es jodidamente emocionante!”

A pesar de recompensas desconocidas y ciertos riesgos, muchos físicos de partículas están acudiendo en masa al redil muónico. "Si no tenemos un desafío", dice Jindariani, "las personas más brillantes se irán a otra parte".

En otras palabras: elegimos hacer colisionar muones no porque sean fáciles sino porque son difíciles.

Daniel Garisto es un periodista científico independiente que cubre los avances en física y otras ciencias naturales. Tiene su base en Nueva York. Crédito: Nick Higgins

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