El LHC detecta el primer bosón Z en colisiones de iones de plomo

La colaboración científica internacional del experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), entre los que se encuentran varios centros de investigación españoles, ha detectado los primeros candidatos a bosones Z, una de las partículas mediadoras de la interacción nuclear débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales

Es la primera vez que se detecta esta partícula en colisiones entre iones de plomo, el modo de funcionamiento del LHC desde el pasado 8 de noviembre.

Los bosones Z, producidos en las colisiones de iones pesados, se han observado por primera vez por el experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN). Los científicos de la colaboración CMS observaron 10 eventos que contienen un candidato distintivo bosón Z reconstruido a partir de un par de electrones o un par de muones, cuya masa es invariante en consonancia con la masa del bosón Z.

El bosón Z fue descubierto en el CERN en 1983, pero nunca antes se había visto en las colisiones de iones pesados. Según informa la colaboración CMS, la producción de Zs en las colisiones de iones pesados proporcionará un importante punto de referencia contra el cual comparar varias sondas, tales como la producción de particulas J/Psi y Upsilon, o la energía de los chorros transversalmente equilibrada de los hadrones. Todo esto puede suponer la creación de pequeñas cantidades del llamado «plasma de quarks y gluones«, un estado de la materia densa similar a las condiciones que tuvo la materia en el Universo muy temprano.

Para los científicos de CMS, estas mediciones son importantes porque, independientemente de las interaciones fuertes, sirven como referencia para otros procesos como los citados del plasma quark-gluon. Además, esta medición está libre de ruido de fondo y sirve para comprobar que el detector funciona correctamente. El boson Z se midió con mucha precision en el LEP (el anterior acelerador de partículas del CERN). Sin embargo, los científicos tienen que ser capaces de reconstruir los bosones Z en el LHC, lo cual indicará que el experimento y sus detectores funcionan correctamente.

En el experimento CMS participan 88 investigadores españoles. El Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) ha participado en el desarrollo de prototipos de pequeños imanes superconductores para el acelerador, así como en el diseño y construcción de 70 cámaras de muones (25% del total) de CMS y en la fabricación de la electrónica de lectura de estas cámaras. El CIEMAT y el Instituto de Física de Cantabria (IFCA), centro mixto del CSIC y la Universidad de Cantabria, son responsables del sistema de alineamiento de muones y su electronica asociada, sistema donde también colabora la Universidad de Oviedo. Por su parte, la Universidad Autónoma de Madrid está involucrada en el desarrollo del sistema de selección de datos o “Trigger”. La participación española en el LHC es promovida a través del proyecto Consolider-Ingenio 2010 CPAN (Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear).

Los primeros resultados de las colisiones entre iones de plomo en el LHC

Científicos del experimento ALICE del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), entre los que se encuentran investigadores del Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE) de la Universidad de Santiago de Compostela y del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), hicieron públicas ayer las primeras mediciones de las colisiones entre iones de plomo registradas en el acelerador del CERN, que desde el pasado 8 de noviembre funciona con colisiones entre este tipo de partículas a la mayor energía alcanzada hasta ahora.

Los científicos de la colaboración describen, en dos artículos enviados a Physical Review Letters, dos características de las colisiones: el número de partículas producido y el flujo del sistema producido por los dos núcleos en las colisiones. En la primera medición, los científicos contaron las partículas cargadas producidas en unos pocos miles de colisiones de iones de plomo en los que las que los núcleos se golpean entre sí de frente. Los resultados mostraron cerca de 18.000 partículas producidas en este tipo de colisiones, unas 2,2 veces más de las producidas en las colisiones de iones de oro similares producidas en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven (EE.UU.).

Dado que las colisiones entre iones de plomo del LHC tienen lugar a una energía 13 veces mayor que las colisiones entre iones de oro del RHIC, la predicción de un gran aumento en el número de partículas producidas parecería una obviedad. Sin embargo, la mayoría de teorías predijo un número menor de partículas que el medido por ALICE debido a una extraña propiedad del mundo de quarks y gluones, las partículas fundamentales que componen el núcleo de plomo.

Entre los teóricos que trabajan para describir lo que sucede en estas colisiones, un sector opina que existe un límite superior sobre cómo muchos gluones podrían ser “empaquetados” en un área determinada. Así que en algún momento el número de gluones que interactúan entre sí (colisionando) se saturaría, no produciendo más partículas. Sin embargo, la medida publicada por ALICE muestra que, si existe ese límite, aún no ha sido alcanzado en el LHC.

En la segunda medición, los científicos de ALICE miraron a las colisiones entre los núcleos de plomo que no chocan de frente, sino que se golpean entre sí un poco fuera del centro. Al utilizar el detector ALICE para medir las propiedades de las partículas emitidas por estas colisiones, los científicos midieron el flujo del sistema creado cuando los dos núcleos chocan, el llamado “plasma de quarks y gluones” (el estado de la materia instantes después del Big Bang, según los científicos).

El tipo de flujo, denominado “elíptico”, también se ha medido en el RHIC, y se relaciona con la fuerza de la interacción entre los quarks y gluones dentro de los núcleos. Las mediciones del flujo elíptico en experimentos del RHIC llevaron a la conclusión de que el plasma de quarks y gluones formado cuando chocan dos núcleos de oro parece fluir como un líquido «casi perfecto», prácticamente sin viscosidad (resistencia a fluir).

La nueva medición de ALICE muestra que el flujo elíptico en las colisiones del LHC es mayor que en el RHIC, pero los científicos advierten que es demasiado pronto para traducir esa medida en una declaración acerca de la viscosidad del plasma de quarks y gluones formado en el LHC.

“Estos primeros datos apuntan a un medio con una densidad de energía nunca antes producida en un laboratorio y con una viscosidad más baja que ningún otro material conocido”, señala Carlos Pajares, investigador del grupo de Fenomenología de Partículas del IGFAE participante en ALICE. En su opinión, los datos de ALICE van en contra de varias predicciones teóricas, en particular contra las extrapolaciones logarítmicas de los datos de RHIC”.

Además de los investigadores del IGFAE, en ALICE participan científicos del CIEMAT en el proceso de computación de los datos. La participación coordinada en el LHC está promovida por el Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), un proyecto Consolider formado por 26 grupos científicos procedentes de universidades y centros de investigación de toda España.

Fuente: Sinc. Aportado por Eduardo J. Carletti


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