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

Aprovechando su amplia participación en el CERN, el equipo de la Universidad de Rochester obtuvo recientemente mediciones «increíblemente precisas» del ángulo de mezcla electrodébil, un componente crucial del Modelo Estándar de Física de Partículas. Crédito: Samuel Joseph Hertzog; Julien Marius Ordán

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

Su trabajo ayuda a explicar las fuerzas fundamentales del universo, apoyado en experimentos como los llevados a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones que entran en condiciones similares a las posteriores al Big Bang.

Misterios universales revelados

En la búsqueda de decodificar los misterios del universo, investigadores de la Universidad de Rochester han estado involucrados durante décadas con colaboraciones internacionales en la Organización Europea para la Investigación Nuclear, más conocida como CERN.

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 logro 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.

«La reciente medición del ángulo de mezcla electrodébil es increíblemente precisa, se calcula a partir de colisiones de protones en el CERN y mejora la comprensión de la física de partículas», afirma Bodek.

La Colaboración CMS reúne a miembros de la comunidad de física de partículas de todo el mundo para comprender mejor las leyes básicas del universo. Además de Bodek, la cohorte de Rochester para 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 universitarios y de posgrado que no se graduaron.

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 de liderazgo 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, conocido 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, incluido el desempeño de papeles clave en el descubrimiento en 2012 del bosón de Higgs, una partícula elemental que ayuda a explicar el origen de la masa β 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 poderoso del mundo. El LHC consta de un anillo de 17 millas de imanes superconductores y estructuras de aceleración 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 elementos fundamentales de la materia y las fuerzas que los gobiernan. Lo logra acelerando haces de protones o iones a casi la velocidad de la luz y estrellándolos 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.

Cortar 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 formó la base 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.

Partiendo de esta comprensión, los físicos de la década de 1960 descubrieron que el electromagnetismo está conectado a otra fuerza: la fuerza débil. La fuerza débil opera en el núcleo de los átomos y es responsable de procesos como la desintegración radiactiva y el poder de 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. Grandes descubrimientos, como el bosón de Higgs, confirmaron este concepto.

Avances en la interacción electrodébil

La Colaboración CMS realizó recientemente una de las mediciones más precisas hasta ahora relacionadas con esta teoría, analizando miles de millones de colisiones protón-protón en el LHC del CERN. Su atención se centró en medir el ángulo de mezcla débil, un parámetro que describe cómo el electromagnetismo y la fuerza débil se combinan 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 se alinean estrechamente 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 estas mediciones, mejorando su precisión.

Comprender el ángulo de mezcla débil arroja luz sobre cómo las diferentes fuerzas del universo trabajan juntas en las escalas más pequeñas y profundiza la comprensión de la naturaleza fundamental de la materia y la energía.

«El equipo de Rochester desarrolla técnicas innovadoras y mide estos parámetros electrodébiles desde 2010 y luego los implementa en el Gran Colisionador de Hadrones», afirma Bodek. «Estas nuevas técnicas presagiaron una nueva era de pruebas de precisión de predicción del modelo estándar».