Un dispositivo para responder a preguntas decisivas sobre el universo

La pieza final de un detector de partículas completamente nuevo ha completado la primera etapa de su viaje para descubrir algunos de los misterios más perdurables del universo.

El Vertex Locator (VELO) de 41 millones de píxeles se ha ensamblado en la Universidad de Liverpool a partir de componentes fabricados en diferentes institutos, antes de viajar a su hogar en el experimento LHCb (Large Hadron Collider beauty) en el acelerador LHC del CERN.

Una vez instalado para la toma de datos, intentará responder a las siguientes preguntas: ¿Por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria? ¿Por qué existe? ¿Qué más hay ahí fuera?

En los momentos inmediatamente posteriores al Big Bang, el universo se vio atrapado en un delicado equilibrio entre materia y antimateria. Por lo que entendemos acerca de las leyes de la naturaleza, estas formas de materia deberían haberse aniquilado entre sí y dejado atrás un universo lleno solo de luz. Sin embargo, contra todo pronóstico, la materia de alguna manera ganó la ventaja y quedó algo para formar el universo que conocemos hoy.

Nuestra mejor comprensión de la física del Big Bang nos dice que la materia y la antimateria se crearon en cantidades iguales. Cuando hicieron contacto en el universo primitivo (mucho más pequeño y mucho más denso), toda su masa combinada debería haberse transformado violentamente en energía pura. Por qué y cómo la materia sobrevivió al encuentro es uno de los misterios más profundos de la ciencia moderna.

La teoría actual es que, aunque la materia y la antimateria se crearon como imágenes especulares casi perfectas, debe haber algún pequeño desequilibrio o defecto. Esto significaba que algunos no eran reflejos perfectos. Esta diferencia, por pequeña que sea, podría haber sido suficiente para darle a la materia la ventaja.

Los científicos ya han encontrado una pequeña grieta en el espejo, llamada violación de paridad de carga (CP). Esto significa que, en algunos casos, la simetría de la reflexión de materia y antimateria se rompe.

Esto da como resultado una partícula que no es el opuesto perfecto de su gemelo, y esta "simetría rota" puede significar que una partícula podría tener una ventaja sobre la otra.

Cuando se rompe esta simetría, una partícula de antimateria puede decaer a un ritmo diferente al de su contraparte de materia. Si ocurrieron suficientes de estas violaciones después del Big Bang, podría explicar por qué sobrevivió la materia.

Al comportarse de manera diferente a sus equivalentes de antimateria, es posible que las partículas de materia con simetría rota tardaran un poco más en descomponerse. Si esto hizo que la materia se quedara un poco más, podría explicar cómo fue la última en pie.

Por qué sobrevivió la materia no es el único misterio en el universo. Hay otro tema que desconcierta a los científicos: ¿qué podría ser la materia oscura?

La materia oscura es un tipo de materia escurridiza e invisible que proporciona el pegamento gravitacional para mantener a las estrellas moviéndose alrededor de las galaxias. Debido a que aún no sabemos qué es la materia oscura, podría ser que haya otras partículas y fuerzas nuevas en el universo que aún no hemos visto.

Descubrir algo nuevo podría revelar una imagen de la naturaleza radicalmente diferente a la que tenemos. Nuevas partículas como estas podrían anunciarse cambiando sutilmente la forma en que se comportan las partículas que podemos ver, dejando rastros pequeños pero detectables en nuestros datos.

El nuevo detector VELO, que reemplazará al antiguo detector VELO, se utilizará para investigar las sutiles diferencias entre las versiones de materia y antimateria de las partículas que contienen partículas subatómicas. Estos se conocen como quarks de belleza (quark fondo) y quarks de encanto.

Estas exóticas partículas que contienen quarks, también conocidas como mesones B y D, se producen durante las colisiones dentro del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Son difíciles de estudiar porque los mesones son muy inestables y desaparecen en una fracción de una fracción de segundo.

Sin embargo, cuando se descomponen, en realidad se transforman en otra cosa. Los científicos creen que, al estudiar estas diferentes desintegraciones y sus propiedades, los datos de VELO ayudarán a LHCb a revelar las fuerzas y simetrías fundamentales de la naturaleza.

El nuevo detector VELO se ubicará lo más cerca posible del lugar donde las partículas chocan dentro del experimento LHCb. Estas partículas se descomponen en menos de una millonésima de millonésima de segundo y viajan solo unos pocos milímetros. Por lo tanto, esta proximidad le dará al dispositivo la mejor oportunidad posible de medir sus propiedades.

La sensibilidad y la proximidad de VELO a los haces del LHC le permitirán tomar medidas increíblemente precisas de las partículas a medida que se desintegran.

Al comparar estas lecturas con las predicciones hechas por el Modelo Estándar (la teoría rectora de la física de partículas), los científicos pueden buscar desviaciones que podrían indicar nuevas partículas en la naturaleza. También pueden buscar violaciones de CP u otras razones por las que la materia y la antimateria se comportan de manera diferente.

Estas desviaciones podrían revolucionar nuestra comprensión de por qué el universo es lo que es.

El líder del proyecto VELO del Reino Unido, el profesor Themis Bowcock, de la Universidad de Liverpool, dijo en un comunicado: "Los datos capturados por el antiguo detector VELO nos han brindado vislumbres realmente tentadores del comportamiento de las partículas. Para avanzar, debemos convertir esto en un estudio forense realmente completo". investigación y aquí es donde entra en juego el nuevo detector VELO. Nos proporciona el par de ojos precisos que necesitamos para observar las partículas con el nivel de detalle que necesitamos. Sencillamente, VELO hace posible todo nuestro programa de física en LHCb".

El nuevo VELO podrá capturar estos decaimientos con un detalle sin precedentes. Combinado con un software actualizado y una electrónica de lectura súper rápida permitirá identificar los quarks de belleza y encanto en tiempo real. Los científicos tendrán un dispositivo que les permitirá rastrear y analizar desintegraciones que antes eran demasiado difíciles de reconstruir.

Lo que también hace que el nuevo detector VELO sea único es que los científicos pueden levantarlo mientras preparan los haces de partículas para las colisiones. Luego, pueden moverlo mecánicamente a su lugar cuando LHCb esté listo para recopilar datos.

Esto permite a los científicos capturar información clara de las primeras partículas que irradian de las colisiones sin desgaste innecesario del haz.