Encontrar una nueva partícula no siempre consiste en verla aparecer dentro de un detector. A veces, la naturaleza coloca el objetivo demasiado lejos.
Una partícula extremadamente pesada puede necesitar más energía de la que un acelerador es capaz de concentrar. Incluso si llega a producirse, podría desaparecer casi inmediatamente, mucho antes de recorrer una distancia visible. En esas situaciones, los científicos no encuentran el objeto, sino pequeñas anomalías en el comportamiento de las partículas que ya conocen.
El problema es que esas huellas pueden resultar terriblemente ambiguas. Varias partículas desconocidas, con masas y propiedades diferentes, podrían dejar señales parecidas a baja energía. Es como escuchar desde otra habitación unas pocas notas de piano e intentar averiguar no solo qué instrumento las produjo, sino también su tamaño, su forma y el mecanismo escondido bajo las teclas.
Un equipo de Caltech y la Universidad de Nueva York asegura haber encontrado una manera matemática de resolver ese rompecabezas. Su método permite partir de ciertas desviaciones medidas en experimentos y reconstruir el espectro de partículas pesadas que podría encontrarse detrás. El trabajo, aceptado en Physical Review Letters, aborda uno de los llamados problemas inversos de la física de partículas.
Una partícula puede desaparecer y seguir alterando todo a su alrededor
El Modelo Estándar describe con una precisión extraordinaria las partículas conocidas y tres de las cuatro fuerzas fundamentales. Sin embargo, no explica fenómenos como la materia oscura, la energía oscura, la masa de los neutrinos o por qué el universo terminó dominado por materia en lugar de antimateria.
Los físicos sospechan que parte de las respuestas podría encontrarse en partículas todavía desconocidas. El problema es que algunas serían demasiado pesadas para ser producidas directamente por el Gran Colisionador de Hadrones, mientras que otras podrían aparecer con tan poca frecuencia que quedarían ocultas entre miles de millones de colisiones ordinarias.
Aun así, una partícula pesada puede influir sobre procesos que suceden a energías mucho menores. Aunque nunca aparezca físicamente dentro del detector, su existencia puede modificar ligeramente la frecuencia con la que chocan otras partículas, los ángulos con los que salen despedidas o la intensidad de determinadas interacciones.
Para describir esas alteraciones se utilizan las teorías efectivas de campos. En lugar de incluir cada detalle del mecanismo invisible, los físicos lo comprimen en una serie de números conocidos como coeficientes de Wilson. Cada coeficiente indica cuánto se desvía una interacción respecto a lo predicho por las leyes conocidas. El LHC ya busca y restringe esos valores mediante sus mediciones habituales.
Los coeficientes funcionan como marcas dejadas por algo que permanece fuera de alcance. Hasta ahora, sin embargo, leerlas no permitía reconstruir de manera única aquello que las había producido.
El nuevo algoritmo hace el viaje en sentido contrario
Normalmente, un físico comienza imaginando una partícula nueva. Le asigna una masa, un espín y determinadas interacciones, calcula qué efectos produciría y después comprueba si esos efectos aparecen en los datos experimentales.
El nuevo método invierte la operación. Parte de los coeficientes de Wilson obtenidos a baja energía y los utiliza para reconstruir el espectro de partículas pesadas compatible con ellos. No comienza con una candidata inventada y pregunta qué huella dejaría. Comienza con la huella y pregunta qué pudo haberla dejado.
Para conseguirlo, los autores desarrollaron una nueva familia de relaciones de dispersión analíticas. Estas herramientas conectan las propiedades observables de las colisiones con la estructura de la teoría que opera a energías superiores. A diferencia de formulaciones anteriores, las relaciones empleadas dependen de manera no lineal de la amplitud de dispersión, la expresión matemática que contiene las probabilidades de los distintos resultados de una colisión.
Según el estudio, el procedimiento puede extraer directamente el espectro de partículas pesadas que intervienen a nivel de árbol, es decir, antes de incorporar todas las correcciones cuánticas más complejas. Cuando detrás de las mediciones existe un número finito de resonancias, la reconstrucción es exacta dentro de esas condiciones. Cuando el espectro es continuo o contiene una cantidad ilimitada de estados, el resultado pasa a ser una aproximación.
Esto no significa que una ecuación vaya a entregar automáticamente el nombre de una partícula desconocida. Sí puede reducir el enorme catálogo de explicaciones posibles y señalar qué espectros son compatibles con las deformaciones observadas.
El LHC podría encontrar una partícula sin llegar a producirla
El método todavía no ha revelado un nuevo componente del universo. Para utilizarlo será necesario medir coeficientes de Wilson con suficiente precisión y demostrar que alguna desviación no procede de errores experimentales, cálculos incompletos o fluctuaciones estadísticas.
Su importancia está en lo que permitiría hacer después. Si una futura medición muestra que una interacción se aparta de manera convincente del Modelo Estándar, los investigadores ya no tendrían que probar a ciegas miles de teorías diferentes. El algoritmo podría convertir ese conjunto de pequeñas anomalías en información sobre las partículas pesadas responsables, incluso si el acelerador no posee energía suficiente para fabricarlas directamente.
Grant Remmen, uno de los autores, compara el proceso con deducir la estructura de un piano escuchando sus notas. Los coeficientes de Wilson serían los sonidos accesibles; las partículas y fuerzas de alta energía, el mecanismo que permanece escondido dentro del instrumento.
La idea cambia sutilmente qué significa descubrir una partícula. Quizá el próximo gran hallazgo no aparezca como un destello limpio dentro del LHC. Podría llevar años escondido en datos que ya estamos recogiendo, deformando apenas las partículas conocidas y esperando a que alguien aprendiera a escuchar correctamente sus notas.
