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 así nuestra comprensión del modelo estándar de física de partículas.

Su trabajo ayuda a explicar las fuerzas fundamentales del universo, respaldado por experimentos como los del Gran Colisionador de Hadrones, que exploran condiciones similares a las que siguieron a la caída de la Tierra. Big Bang.

Revelando misterios universales

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

Aprovechando su fuerte 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, dio recientemente un paso revolucionario. Sus logros se centran en medir el ángulo de mezcla electrodébil, una parte crucial del modelo estándar de física de partículas. Este modelo describe cómo interactúan las partículas y predice con precisión una multitud 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 contribuyen a 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, así como 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 un papel 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, incluido el desempeño de un papel clave en la 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 27 kilómetros de imanes superconductores y estructuras aceleradoras construidas bajo tierra y que se extiende a lo largo de la frontera entre Suiza y Francia.

El objetivo principal del LHC es estudiar los componentes fundamentales de la materia y las fuerzas que los gobiernan. Lo hace acelerando haces de protones o iones a una velocidad cercana a la de la luz y provocando que colisionen a energías extremadamente altas. Estas colisiones recrean condiciones similares a las que existieron unas fracciones de segundo después del Big Bang, lo que permitió a los científicos estudiar el comportamiento de las partículas en condiciones extremas.

Desenredando 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. Este descubrimiento forma la base del electromagnetismo, que describe la luz como una onda y explica muchos fenómenos ópticos, al mismo tiempo que describe cómo interactúan los campos eléctricos y magnéticos.

Partiendo de esta comprensión, los físicos de la década de 1960 descubrieron que el electromagnetismo está vinculado a otra fuerza: la fuerza débil. La fuerza débil opera en los núcleos de los átomos y es responsable de procesos como la desintegración radiactiva y de impulsar la producción de energía solar. 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 de esta teoría hasta la fecha, 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 mezclan 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 coinciden 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 esta medición, mejorando así su precisión.

Comprender el bajo ángulo de mezcla proporciona información sobre cómo las diferentes fuerzas del universo trabajan juntas en las escalas más pequeñas, profundizando la 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».