Un primer paso hacia los colisionadores de muones

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Un primer paso hacia los colisionadores de muones

 

Un primer paso hacia los colisionadores de muones

Tras años de trabajo, la colaboración MICE (siglas en inglés de Experimento Internacional para el Enfriamiento de Muones por Ionización) ha logrado lo que buscaba: hallar una manera de extraer con rapidez la energía de un haz de muones. Estas partículas elementales son muy similares a los electrones, pero se diferencian de ellos en que poseen una masa unas veinte0 veces mayor y se desintegran espontáneamente con gran rapidez. Los nuevos resultados, publicados en Nature, constituyen la primera demostración del proceso conocido como «enfriamiento por ionización», una técnica que en un futuro podría permitir emplear muones en los colisionadores de partículas. «Se trata de un logro histórico», asegura Vladimir Shiltsev, físico del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, cerca de Chicago, que no participó en el trabajo. «Básicamente abre toda una nueva vía de investigación.»

Hoy en día los físicos de partículas se hallan en una encrucijada. Los aceleradores existentes, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, en Ginebra, no han obtenido indicios de nuevas partículas más allá del bosón de Higgs, descubierto en veinte12 pero predicho en los años sesenta del pasado siglo. Tras ese hallazgo, ¿qué hay más allá? La creencia generalizada es que observar nuevos fenómenos físicos exigirá alcanzar energías más elevadas. Sin embargo, con la tecnología de aceleradores existente hoy en día, lograrlo implicará construir colisionadores cada vez mayores y mucho más costosos. El año pasado, una propuesta para el futuro colisionador circular del CERN (un anillo de diez0 kilómetros, casi cuatro veces mayor que el LHC) fue criticada ya que su coste podría dispararse hasta los veinte.000 millones de euros.

«Si algo es tan prohibitivamente caro que las esperanzas de construirlo se desvanecen, no será la manera para llegar hasta donde nos gustaría explorando la frontera de alta energía. [Los experimentos] tienen que ser asequibles», aduce Robert Ryne, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y autor de una reseña que acompaña a la publicación del artículo técnico en Nature.

En esta carrera por explorar energías cada vez más mayores, los colisionadores de muones ofrecen una interesante alternativa. A diferencia de los protones (las partículas con las que trabaja el LHC), los cuales se componen de quarks y gluones y dan lugar a colisiones caóticas e ineficientes, los muones son partículas elementales. Ello significa que, al menos en teoría, podrían producir colisiones «limpias» (al tratarse de partículas elementales, no compuestas por otras) y de alta energía (debido a su elevada masa).

«¿Quién ha pedido eso?»

Cuando fue descubierto en 1nueve3seis, el muon supuso una adición totalmente inesperada al pequeño conjunto de partículas que se conocían por aquel entonces. Al respecto es célebre la supuesta reacción del físico Isidor Isaac Rabi, quien al enterarse habría exclamado: «¿Quién ha pedido eso?». Pero si el futuro premio nóbel hubiera sabido la situación en la que hoy iban a encontrarse sus compañeros de profesión, tal podría haber respondido: «La física de partículas del siglo XXI».

La técnica para generar muones en un laboratorio viene siendo aproximadamente la misma desde hace medio siglo: lanzar protones contra un material y esperar a que las partículas producidas se desintegren en muones. Sin embargo, el haz de muones así generado es muy difuso, incluso después de focalizarlo con ayuda de imanes. Y los experimentos de física de partículas necesitan que los haces sean densos, ya que hacer colisionar haces difusos sería tan ineficiente como hacer chocar dos nubes, ejemplifica Shiltsev.

Para focalizar un haz de muones primero hay que enfriarlo: ralentizar las partículas que lo componen extrayendo la energía cinética que hace que se dispersen en todas direcciones. «Puede compararse con la dispersión de partículas que produce un disparo de escopeta», señala Ryne. «Primero hay que hallar alguna manera de convertirlas en algo mucho más parecido a un rayo láser.»

Enfriar un haz de partículas suele ser algo sencillo. Sin embargo, los muones oponen una importante complicación: su corta vida. En promedio, una de estas partículas acabará desintegrándose en apenas dos millonésimas de segundo. Como consecuencia, hasta hoy ninguna técnica de enfriamiento había funcionado lo suficientemente rápido.

No obstante, cuando los muones se hacen pasar a través de un material, pueden arrancar electrones de los átomos y ionizarlos, un proceso que extrae energía cinética de los muones y los frena ligeramente. En su experimento, los investigadores de la colaboración MICE lanzaron muones contra capas de hidrógeno líquido e hidruro de litio. Gracias a ello lograron reducir en torno a un diez por ciento de la energía de las frenéticas partículas.

«Lo que queríamos demostrar era que podíamos aumentar la densidad del haz», explica Chris Rogers, líder de la colaboración del MICE y físico del Laboratorio Rutherford Appleton (RAL), en el Reino Unido. La técnica funcionó: al rebajar la energía de los muones, los físicos lograron concentrarlos y aumentar la densidad del haz.

Próximos pasos

Pero el enfriamiento por ionización sigue siendo una técnica incipiente. Para lograr la densidad y el grado de focalización que necesitaría un colisionador de partículas, haría falta extraer diez.000 veces más energía de lo logrado hasta ahora por la colaboración MICE. Además, los investigadores tampoco han dado el que debería ser el siguiente paso: acelerar las partículas resultantes en una dirección determinada. En teoría, una vez que los muones han perdido la mayor parte de su energía cinética en otras direcciones, debería ser posible acelerarlos de manera ordenada para conseguir crear haces rectos y de alta energía.

No obstante lo anterior, el resultado de la colaboración MICE marcará un antes y un después en física de muones. Un aspecto de gran importancia es que los resultados experimentales se han ajustado sorprendentemente bien a las predicciones teóricas. Ello sugiere que los investigadores van por buen camino y que entienden la física subyacente lo suficientemente bien como para aumentar la escala del proceso en futuros experimentos.

Tras estos exitosos resultados, el experimento MICE ha sido retirado. Los operarios ya han desmantelado el gran aparato metálico que, del tamaño de un autobús escolar, ocupaba una sala en las instalaciones del RAL.

«Ahora el siguiente paso será construir un nuevo experimento», apunta Rogers. Durante los próximos meses y años, las comunidades de física de partículas europea, japonesa y estadounidense deberán reunirse para decidir que líneas de investigación priorizar y, si llega el caso, qué nuevos colisionadores construir. Y aunque el poeta escocés Robert Burns escribió que «toda previsión puede ser vana», Rogers y sus colaboradores son cautelosamente optimistas y creen que sus resultados tal vez logren allanar el camino hacia un futuro colisionador de muones.

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