Hito logrado al desvelar las fuerzas fundamentales del universo en el Gran Colisionador de Hadrones

Investigadores de la Universidad de Rochester, que trabajan con la Colaboración CMS en cernHemos logrado avances considerables en la medición del ángulo de mezcla electrodébil, ampliando nuestra comprensión del modelo estándar de física de partículas.

Su trabajo ayuda a explicar las fuerzas fundamentales del universo, apoyado en experimentos como los realizados en el Gran Colisionador de Hadrones que profundizan en condiciones similares a las que siguen a la Big Bang.

Desentrañando misterios universales

En un esfuerzo por descifrar los misterios del universo, los investigadores de la Universidad de Rochester han participado en colaboraciones internacionales en la Organización Europea para la Investigación Nuclear, más comúnmente conocida como CERN, durante décadas.

Aprovechando su amplia participación en el CERN, particularmente dentro de la colaboración CMS (Compact Muon Solenoid), el equipo de Rochester, dirigido por Arie Bodek, profesor de Física George E. Pake, logró recientemente un hito innovador. Su resultado se centra en medir el ángulo de mezcla electrodébil, un componente crucial del modelo estándar de física de partículas. Este modelo describe cómo interactúan las partículas y predice con precisión una gran cantidad de fenómenos en física y astronomía.

«Las mediciones recientes del ángulo de mezcla electrodébil son increíblemente precisas, se calculan a partir de colisiones de protones en el CERN y fortalecen la comprensión de la física de partículas», dice Bodek.

EL Colaboración CMS reúne a miembros de la comunidad de física de partículas de todo el mundo para comprender mejor las leyes fundamentales del universo. Además de Bodek, la cohorte de Rochester de la Colaboración CMS incluye a los investigadores principales Regina Demina, profesora de física, y Aran García-Bellido, profesor asociado de física, junto con investigadores asociados postdoctorales y estudiantes de posgrado y pregrado.

Los investigadores de la Universidad de Rochester tienen una larga trayectoria de trabajo en el CERN como parte de la colaboración Compact Muon Solenoid (CMS), incluido el desempeño de roles clave en el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012. Crédito: Samuel Joseph Hertzog; Julien Marius Ordán

Un legado de descubrimiento e innovación en el CERN

Ubicado en Ginebra, Suiza, el CERN es el laboratorio de física de partículas más grande del mundo, famoso por sus descubrimientos innovadores y experimentos de vanguardia.

Los investigadores de Rochester tienen una larga trayectoria de trabajo en el CERN como parte de la colaboración CMS, incluidos roles clave en el 2012 descubrimiento del bosón de Higgs—una partícula elemental que ayuda a explicar el origen de la masa en el universo.

El trabajo de la colaboración incluye la recopilación y el análisis de datos recopilados por el detector Compact Muon Solenoid en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el acelerador de partículas más grande y potente del mundo. El LHC consta de un anillo de 17 millas de imanes superconductores y estructuras aceleradoras construidas bajo tierra y que se extienden a lo largo de la frontera entre Suiza y Francia.

El objetivo principal del LHC es explorar los componentes fundamentales de la materia y las fuerzas que los gobiernan. Lo logra acelerando haces de protones o iones a velocidades cercanas a la de la luz y haciéndolos chocar entre sí a energías extremadamente altas. Estas colisiones recrean condiciones similares a las que existieron fracciones de segundo después del Big Bang, lo que permitió a los científicos estudiar el comportamiento de las partículas en condiciones extremas.

Revelando las fuerzas unificadas

En el siglo XIX, los científicos descubrieron que las diferentes fuerzas de la electricidad y el magnetismo estaban relacionadas: un campo eléctrico cambiante produce un campo magnético y viceversa. El descubrimiento sentó las bases del electromagnetismo, que describe la luz como una onda y explica muchos fenómenos en óptica, además de describir cómo interactúan los campos eléctricos y magnéticos.

Basándose en esta comprensión, los físicos descubrieron en la década de 1960 que el electromagnetismo está vinculado a otra fuerza: la fuerza débil. La fuerza débil opera dentro del núcleo de los átomos y es responsable de procesos como la desintegración radiactiva y de impulsar la producción de energía del sol. Esta revelación condujo al desarrollo de la teoría electrodébil, que postula que el electromagnetismo y la fuerza débil son en realidad manifestaciones de baja energía de una fuerza unificada llamada interacción electrodébil unificada. Descubrimientos clave, como el bosón de Higgs, han confirmado este concepto.

Avances en la interacción electrodébil.

La Colaboración CMS realizó recientemente una de las mediciones más precisas hasta la fecha de esta teoría, analizando miles de millones de colisiones protón-protón en el LHC del CERN. Su objetivo era medir el ángulo de mezcla débil, un parámetro que describe cómo el electromagnetismo y la fuerza débil se fusionan para crear partículas.

Las mediciones anteriores del ángulo de mezcla electrodébil han provocado un debate dentro de la comunidad científica. Sin embargo, los últimos hallazgos están estrechamente alineados con las predicciones del Modelo Estándar de Física de Partículas. El estudiante graduado de Rochester, Rhys Taus, y el investigador postdoctoral asociado, Aleko Khukhunaishvili, implementaron nuevas técnicas para minimizar las incertidumbres sistemáticas inherentes a esta medición, mejorando su precisión.

Comprender el ángulo de mezcla débil arroja luz sobre cómo las diferentes fuerzas del universo interactúan entre sí incluso en las escalas más pequeñas, profundizando nuestra comprensión de la naturaleza fundamental de la materia y la energía.

«El equipo de Rochester ha estado desarrollando técnicas innovadoras y midiendo estos parámetros electrodébiles desde 2010, y luego los implementó en el Gran Colisionador de Hadrones», dice Bodek. «Estas nuevas técnicas presagiaron una nueva era en la prueba de la precisión de las predicciones del modelo estándar».

La Colaboración CMS es una colaboración científica internacional responsable del experimento Compact Muon Solenoid (CMS) en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. La Colaboración CMS, compuesta por más de 4.000 científicos de más de 200 instituciones y 50 países, lleva a cabo investigaciones en física de alta energía, explorando partículas y fuerzas fundamentales, incluido el famoso descubrimiento del bosón de Higgs en 2012.