Los aceleradores de partículas se utilizan como herramientas de investigación para el estudio del universo primitivo. Los colisionadores de hadrones (en particular el Gran Colisionador de Hadrones LHC del CERN) y los colisionadores de electrones y positrones están a la vanguardia de la exploración del universo primitivo. Los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) consiguieron descubrir el bosón de Higgs en 2012. El colisionador de muones podría ser de gran utilidad en estos estudios, pero todavía no es una realidad. Los investigadores han conseguido acelerar un muón positivo a aproximadamente el 4% de la velocidad de la luz. Se trata del primer enfriamiento y aceleración de muones del mundo. Como demostración de prueba de concepto, esto allana el camino para la realización del primer acelerador de muones en un futuro próximo.
El telescopio espacial James Webb (JWST) está estudiando actualmente el universo primitivo. El JWST, dedicado exclusivamente al estudio del universo primitivo, lo hace captando señales ópticas e infrarrojas de las primeras estrellas y galaxias que se formaron en el universo después del Big Bang. Recientemente, el JWST descubrió con éxito la galaxia más distante, JADES-GS-z14-0, formada en el universo primitivo unos 290 millones de años después del Big Bang.
El universo tiene tres fases: la era de la radiación, la era de la materia y la actual era de la energía oscura. Desde el Big Bang hasta hace unos 50,000 años, el universo estuvo dominado por la radiación. A esta le siguió la era de la materia. La época galáctica de la era de la materia, que duró desde unos 200 millones de años después del Big Bang hasta unos 3 millones de años después del Big Bang, se caracterizó por la formación de grandes estructuras como las galaxias. Esta época suele denominarse “universo temprano” y es la que estudia el JWST.
El término “universo muy primitivo” se refiere a la fase más temprana del universo, poco después del Big Bang, cuando era extremadamente caliente y estaba dominado completamente por la radiación. La época de Planck es la primera época de la era de la radiación, que duró desde el Big Bang hasta el siglo XX.-43 s. Con una temperatura de 1032 K, el universo era extremadamente caliente en esta época. A la época de Planck le siguieron las épocas de los quarks, los leptones y la nuclear; todas fueron de corta duración pero se caracterizaron por temperaturas extremadamente altas que se redujeron gradualmente a medida que el universo se expandía.
No es posible estudiar directamente esta fase más temprana del universo. Lo que sí se puede hacer es recrear las condiciones de los tres primeros minutos del universo después del Big Bang en los aceleradores de partículas. Los datos generados por las colisiones de partículas en los aceleradores/colisionadores ofrecen una ventana indirecta al universo primitivo.
Los colisionadores son herramientas de investigación muy importantes en la física de partículas. Se trata de máquinas circulares o lineales que aceleran partículas a velocidades muy altas, cercanas a la velocidad de la luz, y les permiten colisionar contra otra partícula que viene en dirección opuesta o contra un objetivo. Las colisiones generan temperaturas extremadamente altas, del orden de billones de grados Kelvin (similares a las condiciones presentes en las primeras épocas de la era de la radiación). Las energías de las partículas en colisión se suman, por lo que la energía de colisión es mayor y se transforma en materia en forma de partículas masivas que existían en el universo primitivo según la simetría masa-energía. Estas interacciones entre partículas de alta energía en las condiciones que existían en el universo primitivo ofrecen ventanas al mundo de otro modo inaccesible de esa época y el análisis de los subproductos de las colisiones ofrece una forma de comprender las leyes que rigen la física.
Quizás el ejemplo más famoso de colisionadores sea el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, es decir, colisionadores de gran tamaño en los que colisionan hadrones (partículas compuestas únicamente de quarks, como protones y neutrones). Es el colisionador más grande y poderoso del mundo, que genera colisiones a una energía de 13 TeV (teraelectronvoltios), que es la energía más alta alcanzada por un acelerador. El estudio de los subproductos de las colisiones ha sido muy enriquecedor hasta ahora. El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 por los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un hito en la ciencia.
La escala de estudio de la interacción de partículas está determinada por la energía del acelerador. Para explorar a escalas cada vez más pequeñas, se requieren aceleradores de mayor energía. Por lo tanto, siempre se buscan aceleradores de mayor energía que los disponibles actualmente para la exploración completa del modelo estándar de física de partículas y la investigación a escalas más pequeñas. Por lo tanto, actualmente se están desarrollando varios aceleradores nuevos de mayor energía.
El Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL – LHC) del CERN, que probablemente esté operativo en 2029, está diseñado para aumentar el rendimiento del LHC incrementando el número de colisiones para permitir el estudio de los mecanismos conocidos con mayor detalle. Por otro lado, el Futuro Colisionador Circular (FCC) es el ambicioso proyecto de colisionadores de partículas de alto rendimiento del CERN que tendría unos 100 km de circunferencia a 200 metros bajo tierra y sería la continuación del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Es probable que su construcción comience en la década de 2030 y se implementaría en dos etapas: FCC-ee (mediciones de precisión) estará operativo a mediados de la década de 2040, mientras que FCC-hh (alta energía) comenzará a operar en la década de 2070. FCC debería explorar la existencia de nuevas partículas más pesadas, más allá del alcance del LHC, y la existencia de partículas más ligeras que interactúan muy débilmente con las partículas del Modelo Estándar.
Por lo tanto, un grupo de partículas que colisionan en un colisionador son los hadrones, como los protones y los núcleos, que son partículas compuestas de quarks. Estos son pesados y permiten a los investigadores alcanzar altas energías, como en el caso del LHC. Otro grupo es el de los leptones, como los electrones y los positrones. Estas partículas también pueden colisionar, como en el caso del Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEPC) y el colisionador SuperKEKB. Un problema importante con el colisionador de leptones basado en electrones y positrones es la gran pérdida de energía debido a la radiación de sincrotrón cuando las partículas se ven obligadas a orbitar circularmente, lo que se puede superar utilizando muones. Al igual que los electrones, los muones son partículas elementales pero son 200 veces más pesados que los electrones, por lo que la pérdida de energía debido a la radiación de sincrotrón es mucho menor.
A diferencia de los colisionadores de hadrones, un colisionador de muones puede funcionar con menos energía, lo que hace que un colisionador de muones de 10 TeV esté a la par de un colisionador de hadrones de 100 TeV. Por lo tanto, los colisionadores de muones pueden volverse más relevantes después del Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL – LHC) para experimentos de física de alta energía en comparación con el FCC-ee, o CLIC (Colisionador lineal compacto) o CIT (Clisionador Lineal Internacional). Dadas las prolongadas fechas de construcción de los futuros colisionadores de alta energía, los colisionadores de muones podrían ser la única herramienta de investigación potencial en física de partículas durante las próximas tres décadas. Los muones pueden ser útiles para la medición ultraprecisa del momento magnético anómalo (g-2) y del momento dipolar eléctrico (EDM) con vistas a la exploración más allá del modelo estándar. La tecnología de los muones tiene aplicaciones también en varias áreas de investigación interdisciplinarias.
Sin embargo, existen desafíos técnicos para la realización de colisionadores de muones. A diferencia de los hadrones y los electrones, que no se desintegran, los muones tienen una vida útil corta de solo 2.2 microsegundos antes de desintegrarse en un electrón y neutrinos. Pero la vida útil de un muón aumenta con la energía, lo que implica que su desintegración se puede posponer si se acelera rápidamente. Pero acelerar muones es técnicamente difícil porque no tienen la misma dirección o velocidad.
Recientemente, los investigadores del Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (J-PARC) han logrado superar los desafíos de la tecnología de muones. Por primera vez en el mundo, lograron acelerar un muón positivo a aproximadamente el 4 % de la velocidad de la luz. Esta fue la primera demostración de enfriamiento y aceleración de un muón positivo después de años de desarrollo continuo de tecnologías de enfriamiento y aceleración.
El acelerador de protones del J-PARC produce aproximadamente 100 millones de muones por segundo. Esto se logra acelerando los protones hasta casi la velocidad de la luz y permitiendo que choquen con el grafito para formar piones. Los muones se forman como producto de la desintegración de los piones.
El equipo de investigación produjo muones positivos con una velocidad de aproximadamente el 30% de la velocidad de la luz y los inyectó en un aerogel de sílice. Esto permitió que los muones se combinaran con los electrones en el aerogel de sílice, lo que dio como resultado la formación de muonio (una partícula neutral similar a un átomo o pseudoátomo que consiste en un muón positivo en el centro y un electrón alrededor del muón positivo). Posteriormente, los electrones fueron desprendidos del muonio mediante irradiación con láser que dio lugar a muones positivos enfriados a aproximadamente el 0.002% de la velocidad de la luz. Después de eso, los muones positivos enfriados fueron acelerados utilizando un campo eléctrico de radiofrecuencia. Los muones positivos acelerados así creados fueron direccionales porque comenzaron desde casi cero y se convirtieron en un haz de muones altamente direccional a medida que se aceleraban gradualmente hasta alcanzar aproximadamente el 4% de la velocidad de la luz. Este es un hito en la tecnología de aceleración de muones.
El equipo de investigación planea acelerar eventualmente los muones positivos al 94% de la velocidad de la luz.
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Referencias:
- Universidad de Oregon. El universo temprano: hacia el comienzo de Tim. Disponible en https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Acelerando la ciencia: el colisionador de muones. Disponible en https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Nota de prensa: Primer enfriamiento y aceleración de muones del mundo. Publicado el 23 de mayo de 2024. Disponible en https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Aceleración de muones positivos mediante una cavidad de radiofrecuencia. Preimpresión en arXiv. Enviado el 15 de octubre de 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
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