Evidencia para la Teoría de Cuerdas: Aceleradores de partículas

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Por Andrew Zimmerman Jones, Daniel Robbins

Para la física de partículas de alta energía, los aceleradores de partículas ayudan a los teóricos de cuerdas a realizar experimentos en aparatos que controlan. Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza poderosos campos magnéticos para acelerar un haz de partículas cargadas a velocidades increíblemente rápidas y luego choca con un haz de partículas que va en sentido contrario. Los científicos pueden entonces analizar los resultados de la colisión.

Colisionador de iones pesados relativistas (RHIC)

El Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) es un acelerador de partículas en el Brookhaven National Laboratory en Nueva York. Se puso en línea en el año 2000, después de una década de planificación y construcción.

El nombre RHIC proviene del hecho de que acelera iones pesados -es decir, núcleos atómicos despojados de sus electrones- a velocidades relativistas (99,995 por ciento de la velocidad de la luz) y luego choca con ellos. Debido a que las partículas son núcleos atómicos, las colisiones contienen mucha energía en comparación con los haces de protones puros (aunque también se necesita más tiempo y energía para que alcancen esa velocidad).

Al unir dos núcleos de oro, los físicos pueden obtener una temperatura 300 millones de veces más caliente que la superficie del sol. Los protones y neutrones que normalmente forman los núcleos de oro se descomponen a esta temperatura en un plasma de quark y gluones.

Este plasma de quark-gluón es predicho por la cromodinámica cuántica (QCD), pero el problema es que el plasma se supone que se comporta como un gas. En cambio, se comporta como un líquido. Según Leonard Susskind, la teoría de cuerdas puede ser capaz de explicar este comportamiento usando una variación de la conjetura de Maldacena. De esta manera, el plasma de quark-gluón puede ser descrito por una teoría equivalente en el universo de dimensiones superiores: ¡un agujero negro, en este caso!

Colisionador de Hadrones Grande (LHC)

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un aparato masivo, construido bajo tierra en las instalaciones de física de partículas del CERN en la frontera de Suiza y Francia. (El CERN es el centro europeo de física de partículas que fue, en 1968, la cuna de la teoría de cuerdas.) El acelerador en sí tiene una circunferencia de unos 27 kilómetros (17 millas), como se muestra.

Los 9.300 imanes de la instalación pueden acelerar protones en colisiones de hasta 14 billones de electronvoltios (TeV), mucho más allá de nuestras actuales limitaciones experimentales. El costo del LHC era de alrededor de 9.000 millones de dólares al momento de escribir este artículo.

Crédito: Cortesía de la Oficina de Prensa del CERNEl

10 de septiembre de 2008, el LHC se puso en línea al ejecutar oficialmente una viga a lo largo de todo el túnel. El 19 de septiembre, una conexión eléctrica defectuosa causó una ruptura en el sello de vacío, resultando en una fuga de 6 toneladas de helio líquido.

Debido a esto, aún no ha habido resultados experimentales significativos del LHC, pero deberían estar por llegar. El nivel de energía de 14 TeV podría alcanzar varios resultados experimentales posibles:

  • Agujeros negros microscópicos, lo que apoyaría las predicciones de dimensiones adicionales
  • Creación de partículas (partículas) supersimétricas
  • Confirmación experimental del bosón de Higgs, la partícula final del Modelo Estándar que permanecerá inobservada.
  • Evidencia de dimensiones extras enroscadas

Una de las mayores evidencias de la teoría de cuerdas podría ser la falta de pruebas. Si los experimentos en el LHC registran alguna “energía faltante”, un par de posibilidades podrían proporcionar un apoyo asombroso para la teoría de cuerdas.

  • Primero, las colisiones podrían crear nuevos partículas que forman materia oscura, que luego fluye fuera de la instalación sin interactuar con la materia normal (como, ya sabes, el detector mismo).
  • Segundo, la energía faltante podría ser el resultado de la energía (o sparticles) que en realidad están viajando directamente a las dimensiones extras, en lugar de a nuestro propio espacio-tiempo de 4 dimensiones.

Cualquiera de estos hallazgos sería un gran descubrimiento, y tanto las partículas supersimétricas como las dimensiones adicionales tendrían profundas implicaciones para la teoría de cuerdas.

Colisionadores del futuro

Los aceleradores de partículas son tan masivos que no hay diseños fijos para ellos; cada acelerador de partículas es su propio prototipo. El siguiente en los libros parece ser el Colisionador Lineal Internacional (ILC), que es un colisionador electrón-positrón. Una ventaja de esto es que los electrones y positrones, debido a que son partículas fundamentales y no partículas compuestas como los protones, son mucho menos sucios cuando chocan.

La CIT no ha sido aprobada. Las propuestas, incluyendo la ubicación, podrían ser votadas alrededor de 2012 y, si se aprueba, podría estar funcionando a finales de la década de 2010. Las primeras estimaciones para el proyecto dan un costo mínimo de 6.650 millones de dólares (excluyendo pequeñas cosas como la compra de la tierra y otros costos incidentales).

También es posible que el LHC sea el último de los grandes aceleradores de partículas, porque se pueden desarrollar nuevas tecnologías propuestas que permitan una rápida aceleración de partículas que no requiera instalaciones masivas.

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