El 4 de julio de 2012 los experimentos ATLAS y CMS compartieron con la comunidad internacional su más reciente hallazgo: una nueva partícula, cuya masa es unas 125 veces la masa del protón, y que probablemente sea el bosón de Higgs.
Lo que mucha gente no sabrá es lo difícil y largo que ha sido el camino andado, desde la concepción del mecanismo de Higgs,
hasta su probable descubrimiento. No hablaremos aquí de lo delicado que
es acelerar los protones hasta velocidades cercanas a la de la luz,
juntar diez mil millones de estos protones y hacerlos colisionar en
varios puntos del acelerador-colisionador LHC. Aquí hablaremos de la
cadena seguida en el experimento CMS,
desde que recibe una de esas colisiones hasta que los científicos
dispersados por todo el planeta las analizan y buscan la aguja del bosón
de Higgs en la montaña de agujas del Modelo Estándar de la Física de
Partículas.
El LHC llega a producir hasta seiscientos millones de colisiones por segundo.
Lo ideal para CMS sería fotografiar (almacenar) todas y cada una de
ellas, pero eso es, con la potencia de cálculo que tienen hoy en día los
ordenadores, imposible. Así, no nos queda otra que hacer una selección
"al vuelo". Es decir, según nos llegan los seiscientos millones de
colisiones por segundo, tenemos que decidir si esta o aquella colisión
la guardamos. ¿Y el resto? Las perdemos para siempre. El número que
podemos guardar es de trescientas por segundo... ¿Quiénes serán las
elegidas? En una colisión de dos protones puede haber una gran variedad
de productos: chorros de muchas partículas, muones, electrones, grandes
cantidades de energía perdida porque se produjeron neutrinos, etc. Si
existe un mínimo número de estos productos, la colisión se guarda. Pero a
cada respuesta que aquí damos surge una nueva pregunta... ¿cómo se sabe
si una colisión ha tenido, por ejemplo, muones?
El detector CMS es una gigantesca cámara fotográfica tridimensional (21 metros de largo por 16 de ancho, pesando 12.500 toneladas), con la nada despreciable cifra de 76 millones de pixels. Cuando una colisión ocurre dentro de esta cámara fotográfica, y en cuestión de microsegundos, los productos de la colisión ya han atravesado el detector, o se han desintegrado, no dejando nada más que su rastro. Visto y no visto. Como si sólo viéramos el rastro de un caza de combate que acaba de pasar por encima.
Las
partículas pueden dejar dos tipos de rastros: puntos o "hits" en los
llamados detectores de trazas, y depósitos de energía en los llamados
detectores de calorimetría. Pero para completar la información
necesitamos, además de los diferentes detectores, un potente campo
magnético. ¿Para qué? Con la incorporación de un campo magnético las
partículas cargadas se curvarán, tanto más cuanto más lentas sean.
Gracias a que se curvan podemos medir su momento, y gracias a que se
curvan en diferentes sentidos, podemos medir su carga eléctrica. El campo magnético de CMS es el más potente que se ha construido hasta el momento, con una intensidad de 3.8 Tesla. En comparación, el campo magnético de la Tierra es menor que 0.0001 Tesla.
Siete lugares en el mundo
Las
partículas neutras son inmunes al campo magnético, pero para ellas
tenemos preparados los detectores de calorimetría. La idea es sencilla:
parar completamente las partículas neutras que los atraviesan, eso sí,
midiendo con precisión la energía que se ha gastado en pararlas. Con la
información de los puntos y de los calorímetros se reconstruyen, en
tiempos de microsegundos, los componentes de la colisión, y se decide si
se acepta o se rechaza. El paso siguiente es transferir, a una
velocidad de trescientas por segundo, las colisiones aceptadas fuera del
experimento. Éstas se envían a siete centros de computación repartidos por el mundo;
en estos centros, con un poco más de tiempo para reconstruir las
colisiones (o sucesos) con más calma, se reconstruye en mejor detalle lo
ocurrido en cada colisión, y se guarda en cintas.
Y aquí es donde empieza, en cierto modo, el análisis de los datos. Los físicos de CMS tienen que leer los millones de colisiones almacenados en estas cintas y
extraer, de todas ellas, las que sean de interés. Pero, ¿cómo? En base
al conocimiento existente de la Física de Partículas, gracias al Modelo Estándar
podemos predecir los diferentes tipos de colisiones que se van a
producir en el LHC. La idea, en principio, es entonces sencilla:
comparar la predicción, gracias a simulaciones realizadas por métodos de
Monte Carlo, con la medida. Y, de una forma muy simplificada, diremos que hemos descubierto una partícula cuando veamos más medidas de las esperadas, de una forma estadísticamente significativa.
Como un estadio lleno de arena
No
sé si las siguientes proporciones serán exactas, pero darán una buena
idea de la inmensa labor realizada. Imaginemos un estadio olímpico (más
de 400 metros de longitud) lleno hasta la bandera, literalmente, de
granos de arena. Ahora imaginemos que de todos esos granos de arena nos
quedamos con los que entran en una piscina olímpica (50 metros de
longitud). Y finalmente, cogemos un puñado con la mano. Fácil, ¿no? Pues
ahora imaginemos que cada grano de arena corresponde a una colisión.
Las que llenan el estadio son las producidas por el LHC. CMS ha guardado
en cinta las que entran en la piscina. Y el bosón recién descubierto está en los granos que se quedan en la mano... ¡después de soltar el puñado que habíamos cogido!
Semejante
cadena de tareas no puede ser realizada por unas pocas personas. El
mantenimiento del detector las 24 horas del día, siete días a la semana,
gente dedicada a transferir los datos, a producir simulaciones, a
calibrar los diferentes detectores, a reconstruir los sucesos, a
analizar los datos, a interpretar los datos, a arreglar las piezas que,
ley de vida, a veces fallan, etc., son parte de una lista más amplia de
tareas necesarias para sacar unos pocos granos de arena de un estadio olímpico;
eso sí, unos granos de arena muy especiales. Así, este artículo se lo
dedico a las más de 3.000 personas que hacemos posible el sueño CMS.
Jónatan Piedra es postdoc del Centro Nacional de Física de Partículas (CPAN) en la Universidad de Oviedo y el experimento CMS
