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    Acelerador de antiprotones del CERN

    Científicos rusos investigarán la ausencia de antimateria en el CERN

    CC BY 2.0 / Wikipedia
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    ¿Por qué no existe la antimateria? ¿Qué pretenden encontrar los físicos más allá del Modelo Estándar?

    De esto y muchas cosas más habla con Sputnik Andréi Golutvin, director de uno de los experimentos realizados en el Gran Colisionador de Hadrones, catedrático de la Escuela Imperial de Londres y de la universidad rusa MISiS.

    — Usted es catedrático del Departamento de Física de Altas Energías de la Escuela Imperial de Londres y, a la vez, realiza investigaciones en el CERN colaborando en dos grandes proyectos: el SHiP y LHCb. ¿En qué consiste su labor en la Universidad Nacional de Tecnología de Rusia (MISiS) como director científico del Centro de Interacción Infraestructural Mega Science?

    — Nuestro objetivo común, como el del CERN, es desarrollar la ciencia fundamental. Tan solo el 15% de los empleados del CERN se dedican a la ciencia fundamental, ya que el resto soluciona tareas de ingeniería.

    En el Gran Colisionador de Hadrones funcionan máquinas enormes, cuya construcción y mantenimiento requieren del trabajo de numerosos ingenieros. Es por esto que los empleados del CERN y las universidades de diferentes países del mundo colaboran con grandes empresas industriales para, conjuntamente, realizar investigaciones y fabricar piezas para estas máquinas.

    La universidad MISiS forma parte de la colaboración SНiP (Search for Hidden Particles, Búsqueda de Partículas Ocultas). Es uno de los grandes experimentos que actualmente dirijo. Intentamos explicar los fenómenos que no describe el Modelo Estándar de la física de partículas, por ejemplo, la existencia de materia oscura y la ausencia de la antimateria en el Universo.

    Para ello se construirá un detector especial (detector SHiP) y un canal para desviar un haz de partículas de alta intensidad del acelerador de partículas Súper Sincrotrón de Protones (SPS, por sus siglas en inglés) en el CERN. MISiS es responsable de la fabricación del gran imán, uno de los elementos clave de la instalación.

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    Además, la universidad rusa hace poco inició el procedimiento de entrada en el proyecti LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment, Experimento de belleza —por los quarks de belleza— del Gran Colisionador de Hadrones). En este experimento los científicos rusos abordarán interesantes tareas relacionadas con el desarrollo de aleaciones a base de elementos pesados (como wolframio) y materiales centelleadores resistentes a la radiación.

    — Para los que es el Gran Colisionador de Hadrones (GCH), LHCb es una colaboración importante? ¿Cómo evalúa sus perspectivas? 

    Materia oscura
    © Flickr / Smithsonian Institution
    — Sí, en ella participan hoy más de 1.000 físicos e ingenieros de diferentes países del mundo. Actualmente, la instalación está en fase de una radical modernización. En los próximos 2 o 3 años se planea aumentar 10 veces la intensidad de las partículas que detectará esta instalación.

    No descarto que dentro de otros 5 años tengamos que volver a aumentar varias veces la sensibilidad de la instalación. El programa fue pensado para 10 años. En 5 años conseguiremos reunir la mitad de los datos programados. Continuar trabajando en el mismo modo no resulta razonable ya que es poco probable que consigamos descubrir nuevos efectos. Pero si aumentamos la intensidad 50 veces, esto permitirá aumentar radicalmente la sensibilidad del experimento para verificar el Modelo Estándar.

    — ¿Qué tienen en común las instalaciones del proyecto LHCb y SHiP?

    — Ambas funcionan dentro de los flujos de un gran número de partículas. En el LHCb faltan por desarrollar elementos de los detectores que permitirán realizar cálculos precisos con cargas muy altas. 

    En el proyecto SHiP hace falta fabricar un sistema de imanes que permitirá desviar las partículas conocidas que nacen tras la colisión del haz de protones con el blanco. Desviándolas podremos buscar eventos raros fuera del Modelo Estándar en condiciones muy ventajosas, casi sin eventos de fondo.

    — En la instalación del LHCb hay un programa especial de experimentos con los llamados quarks “belleza”. ¿Realmente se distinguen por su belleza?

    — Conocemos 6 tipos de quarks que suelen dividir en tres generaciones. La primera generación es la de 'down' y 'up', quarks de arriba y abajo. De ellos están hechos todos los protones, neutrones, es decir, nosotros y toda la materia que nos rodea. La segunda generación de quarks es la de 'charm' y 'strange', de encanto y extrañeza. Por último está la tercera generación: 'beauty' o 'bottom' y 'top', la de belleza o fondo y cima.

    — ¿Para qué sirven si todo está hecho de los quarks de la primera generación?

    — El Universo nació hace unos 14.000 millones de años. Después de la Gran Explosión (Big Bang) nos vimos en un Universo donde solo hay materia y no hay antimateria. Al mismo tiempo, sabemos que cuando en el GCH se colisionan los protones se genera una cantidad casi igual de materia y antimateria, como durante la Gran Explosión. Sin embargo, pasado muy poco tiempo desde la misma, nos quedamos en un Universo donde solo hay materia y la antimateria desaparece. Esto significa que la materia y la antimateria en el tiempo tienen actitudes diferentes.

    Entonces, el proceso con la participación de los quarks fondo y antifondo es muy cómodo para estudiar la evolución en el tiempo de la materia y la antimateria. Es gracias a estos quarks que sabemos que la antimateria evoluciona en el tiempo de forma completamente distinta que la materia.

    La existencia de estos quarks fue descubierta justo para explicar la ausencia de la antimateria en el mundo. Y todo sería genial pero resultó que la diferencia entre la evolución en el tiempo de los quarks fondo y ¬¬antifondo es 10.000 millones de veces menor que el efecto necesario para explicar la ausencia de la antimateria en el Universo. 

    — Es decir, ¿la antimateria existe pero, al mismo tiempo, no existe?

    — Intentamos encontrar nuevos mecanismos fuera del Modelo Estándar que ayuden a explicar el desarrollo de nuestro Universo en el tiempo y la desaparición de la antimateria en una etapa muy temprana de desarrollo.

    De momento sigue siendo un misterio. La búsqueda de estos mecanismos también es algo común para las tareas físicas de los experimentos LHCb y SHiP.

    — ¿Confía en que las instalaciones SHiP y LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones contribuyan a encontrar la solución?

    — Claro, todos soñamos con encontrar las respuestas a las preguntas que no pueden ser respondidas por el Modelo Estándar. La instalación LHCb, al menos, asegura una verificación muy precisa de esta teoría.

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    En cuanto al experimento SHiP, si hay suerte y conseguimos detectar las partículas ocultas, será un descubrimiento con mayúscula que permitirá contestar a muchas de las preguntas fundamentales de la naturaleza.

    — ¿Cuál es la probabilidad de que detecten un evento raro?

    — Le contestaré con números. Para ver una señal rara en el experimento SHiP hay que reunir un número de protones equivalente a diez elevado a la vigésima potencia (1020) y posicionarlos en el blanco. Las tecnologías disponibles para el momento se pueden hacer en cinco años en los aceleradores del CERN.

    Por supuesto, esperamos registrar al menos un evento de señal. Lo demás depende del fondo: si el fondo presenta también un evento, entonces, no podremos sacar ninguna conclusión. Si, en cambio, el fondo resulta ser menor que una décima parte del evento, mejoraremos la sensibilidad de todos los experimentos anteriores del mismo tipo en decenas de miles de veces.

    — Y si no registran ningún evento en cinco años, ¿descartarán todas las teorías?

    — Los científicos que formulan las teorías lo hacen de una forma tan inteligente que resulta imposible cerrarlas de forma experimental definitivamente, siempre queda cierto número de grados de libertad… Sin embargo, el experimento SHiP podrá limitar considerablemente las posibilidades restantes para una gran clase de los modelos que se barajan hoy en día.

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    antimateria, Gran Colisionador de Hadrones (LHC), CERN, Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Moscú (MISiS), Andréi Golutvin
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