Un primer paso hacia los colisionadores de muones

Tras años de trabajo, la cooperacion MICE (siglas en inglés de Experimento Internacional para el Enfriamiento de Muones por Ionización) ha logrado lo que buscaba: encontrar una forma de extraer con rapidez la energía de un haz de muones. Estas partículas elementales son muy semejantes a los electrones, pero se diferencian de ellos en que tienen una masa unas veinte0 veces mayor y se desintegran espontáneamente con gran rapidez. Los modernos resultados, publicados en Nature, constituyen la primera demostración del proceso conocido como «enfriamiento por ionización», una técnica que en un futuro podría permitir usar muones en los colisionadores de partículas. «Se trata de un logro histórico», asegura Vladimir Shiltsev, físico del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, cerca de Chicago, que no participó en el trabajo. «Básicamente abre toda una nueva vía de investigación.»

La actualidad los físicos de partículas se hallan en una encrucijada. Los aceleradores existentes, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, en Ginebra, no han obtenido indicios de nuevas partículas más allá del bosón de Higgs, desvelado en veinte12 pero predicho en los años sesenta del pasado siglo. Tras ese hallazgo, ¿qué hay más allá? La creencia universal es que ver modernos fenómenos físicos exigirá alcanzar energías más elevadas. en cambio, con la tecnología de aceleradores que existe la actualidad, lograrlo implicará edificar colisionadores cada vez mayores y demasiado más costosos. El año pasado, una propuesta para el futuro colisionador circular del CERN (un anillo de diez0 kilómetros, casi cuatro veces mayor que el LHC) fue criticada ya que su coste podría dispararse incluso los veinte.000 millones de euros.

«Si algo es tan prohibitivamente caro que las esperanzas de construirlo se esfuman, no será la forma para llegar incluso donde nos gustaría examinando la frontera de alta energía. [Los experimentos] deben de ser asequibles», aduce Robert Ryne, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y creador de una reseña que acompaña a la publicación del artículo técnico en Nature.

En esta carrera por explorar energías cada vez más mayores, los colisionadores de muones proponen una interesante alternativa. A diferencia de los protones (las partículas con las que trabaja el LHC), los cuales se componen de quarks y gluones y dan lugar a colisiones caóticas e ineficientes, los muones son partículas elementales. Ello significa que, al menos en hipotesis, podrían producir colisiones «limpias» (al tratarse de partículas elementales, no compuestas por diferentes) y de alta energía (debido a su elevada masa).

«¿Quién ha pedido eso?»

Cuando fue desvelado en 1nueve3seis, el muon supuso una adición completamente inesperada al pequeño montón de partículas que se conocían por aquel por lo tanto. Al respecto es célebre la supuesta reacción del físico Isidor Isaac Rabi, quien al enterarse habría exclamado: «¿Quién ha pedido eso?». Pero si el futuro premio nóbel hubiera sabido la situación en la que hoy iban a encontrarse sus camaradas de profesión, tal podría haber respondido: «La física de partículas del siglo XXI».

La técnica para generar muones en un laboratorio viene siendo aproximadamente la misma desde hace medio siglo: lanzar protones contra un material y esperar a que las partículas producidas se desintegren en muones. en cambio, el haz de muones así creado es muy difuso, inclusive después de focalizarlo con auxilio de imanes. Y los experimentos de física de partículas precisan que los haces sean densos, ya que realizar colisionar haces difusos sería tan ineficiente como realizar chocar dos nubes, ejemplifica Shiltsev.

Para focalizar un haz de muones primero hay que enfriarlo: ralentizar las partículas que lo componen extrayendo la energía cinética que hace que se dispersen en todas direcciones. «Puede compararse con la dispersión de partículas que produce un disparo de escopeta», señala Ryne. «Primero hay que encontrar alguna forma de convertirlas en algo demasiado más comparable a un rayo láser.»

Enfriar un haz de partículas suele ser algo facil. en cambio, los muones oponen una notable complicación: su corta vida. En promedio, una de estas partículas acabará desintegrándose en apenas dos millonésimas de segundo. Como consecuencia, incluso hoy ninguna técnica de enfriamiento había funcionado lo suficientemente rápido.

sin embargo, cuando los muones se hacen pasar a través de un material, pueden arrancar electrones de los átomos y ionizarlos, un proceso que extrae energía cinética de los muones y los frena levemente. En su experimento, los expertos de la cooperacion MICE lanzaron muones contra capas de hidrógeno líquido e hidruro de litio. Debido a ello consiguieron reducir alrededor a un diez por ciento de la energía de las frenéticas partículas.

«Lo que queríamos probar era que podíamos aumentar la densidad del haz», explica Chris Rogers, líder de la cooperacion del MICE y físico del Laboratorio Rutherford Appleton (RAL), en el Reino Unido. La técnica funcionó: al rebajar la energía de los muones, los físicos consiguieron concentrarlos y aumentar la densidad del haz.

Próximos pasos

Pero el enfriamiento por ionización sigue siendo una técnica incipiente. Para lograr la densidad y el grado de focalización que necesitaría un colisionador de partículas, haría falta extraer diez.000 veces más energía de lo logrado incluso actualmente por la cooperacion MICE. asimismo, los expertos tampoco han dado el que debería ser el siguiente paso: incrementar la velocidad las partículas resultantes en una dirección determinada. En hipotesis, una vez que los muones han perdido la mayor parte de su energía cinética en diferentes direcciones, debería ser factible acelerarlos de forma ordenada para conseguir crear haces rectos y de alta energía.

sin embargo lo anterior, el resultado de la cooperacion MICE marcará un anteriormente y un después en física de muones. Una apariencia de gran importancia es que los resultados experimentales se han ajustado sorprendentemente bien a los pronosticos teóricas. Ello sugiere que los expertos van por buen camino y que entienden la física subyacente lo suficientemente bien como para aumentar la escala del proceso en futuros experimentos.

Tras estos exitosos resultados, el experimento MICE ha sido retirado. Los operarios ya han desmantelado el gran aparato metálico que, del tamaño de un autobús escolar, ocupaba una sala en las instalaciones del RAL.

«Actualmente el siguiente paso será edificar un nuevo experimento», apunta Rogers. Durante los próximos meses y años, las comunidades de física de partículas europea, japonesa y estadounidense deberán reunirse para decidir que líneas de investigación priorizar y, si llega el suceso, qué modernos colisionadores edificar. Y aunque el poeta escocés Robert Burns escribió que «toda previsión puede ser vana», Rogers y sus colaboradores son cautelosamente optimistas y admiten que sus resultados tal vez logren allanar el camino hacia un futuro colisionador de muones.