En las primeras millonésimas de segundo después del Big Bang, el universo era un plasma turbulento de quarks y gluones de un billón de grados, partículas elementales que se unieron brevemente en innumerables combinaciones antes de enfriarse y asentarse en configuraciones más estables para formar los neutrones y los protones. de materia ordinaria.
En el caos antes del enfriamiento, una fracción de estos quarks y gluones chocaron al azar para formar partículas “X” de corta duración, llamadas así por sus estructuras misteriosas y desconocidas. Hoy en día, las partículas X son extremadamente raras, aunque los físicos han teorizado que pueden crearse en aceleradores de partículas a través de la coalescencia de quarks, donde las colisiones de alta energía pueden generar destellos similares de plasma de quarks y gluones.
Ahora, los físicos del Laboratorio de Ciencias Nucleares del MIT y otros lugares han encontrado evidencia de partículas X en el plasma de quarks y gluones producido en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, con sede cerca de Ginebra, Suiza.
El equipo utilizó técnicas de aprendizaje automático para examinar más de 13 000 millones de colisiones de iones pesados, cada una de las cuales produjo decenas de miles de partículas cargadas. En medio de esta sopa de partículas ultradensa y de alta energía, los investigadores pudieron extraer alrededor de 100 partículas X, de un tipo conocido como X (3872), llamado así por la masa estimada de la partícula.
Los resultados, publicados esta semana en Physical Review Letters, marcan la primera vez que los investigadores detectan partículas X en plasma de quarks-gluones, un entorno que esperan ilumine la estructura aún desconocida de las partículas.
“Este es solo el comienzo de la historia”, dice el autor principal Yen-Jie Lee, profesor asociado de física de desarrollo profesional de la clase de 1958 en el MIT. “Hemos demostrado que podemos encontrar una señal. En los próximos años queremos usar el plasma de quarks y gluones para sondear la estructura interna de la partícula X, lo que podría cambiar nuestra visión de qué tipo de material debería producir el universo”.
Los coautores del estudio son miembros de CMS Collaboration, un equipo internacional de científicos que opera y recopila datos del Compact Muon Solenoid, uno de los detectores de partículas del LHC.
Partículas en el plasma
Los componentes básicos de la materia son el neutrón y el protón, cada uno de los cuales está formado por tres quarks fuertemente unidos.
“Durante años habíamos pensado que, por alguna razón, la naturaleza había optado por producir partículas formadas únicamente por dos o tres quarks”, dice Lee.
Solo recientemente los físicos han comenzado a ver signos de “tetraquarks” exóticos, partículas hechas de una rara combinación de cuatro quarks. Los científicos sospechan que X (3872) es un tetraquark compacto o un tipo completamente nuevo de molécula hecha no de átomos sino de dos mesones débilmente unidos, partículas subatómicas que a su vez están hechas de dos quarks.
X (3872) fue descubierto por primera vez en 2003 por el experimento Belle, un colisionador de partículas en Japón que rompe electrones y positrones de alta energía. Sin embargo, dentro de este entorno, las partículas raras se descompusieron demasiado rápido para que los científicos examinaran su estructura en detalle. Se ha planteado la hipótesis de que X (3872) y otras partículas exóticas podrían iluminarse mejor en plasma de quarks-gluones.
“Teóricamente hablando, hay tantos quarks y gluones en el plasma que la producción de partículas X debería mejorarse”, dice Lee. “Pero la gente pensó que sería demasiado difícil buscarlos porque hay muchas otras partículas producidas en esta sopa de quarks”.
‘Realmente una señal’
En su nuevo estudio, Lee y sus colegas buscaron signos de partículas X dentro del plasma de quarks y gluones generado por colisiones de iones pesados en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Basaron su análisis en el conjunto de datos del LHC de 2018, que incluía más de 13 mil millones de colisiones de iones de plomo, cada una de las cuales liberó quarks y gluones que se dispersaron y fusionaron para formar más de un cuatrillón de partículas de corta duración antes de enfriarse y descomponerse.
“Después de que el plasma de quarks-gluones se forma y se enfría, se producen tantas partículas que el fondo es abrumador”, dice Lee. “Así que tuvimos que superar este fondo para que eventualmente pudiéramos ver las partículas X en nuestros datos”.
Para hacer esto, el equipo utilizó un algoritmo de aprendizaje automático que entrenaron para seleccionar patrones de descomposición característicos de las partículas X. Inmediatamente después de que se forman partículas en el plasma de quarks y gluones, se descomponen rápidamente en partículas “hijas” que se dispersan. Para las partículas X, este patrón de decaimiento, o distribución angular, es distinto de todas las demás partículas.
Los investigadores, dirigidos por el postdoctorado del MIT Jing Wang, identificaron variables clave que describen la forma del patrón de descomposición de las partículas X. Entrenaron un algoritmo de aprendizaje automático para reconocer estas variables y luego alimentaron el algoritmo con datos reales de los experimentos de colisión del LHC. El algoritmo pudo filtrar el conjunto de datos extremadamente denso y ruidoso para seleccionar las variables clave que probablemente fueron el resultado de la descomposición de las partículas X.
“Logramos bajar el fondo en órdenes de magnitud para ver la señal”, dice Wang.
Los investigadores ampliaron las señales y observaron un pico en una masa específica, lo que indica la presencia de partículas X (3872), unas 100 en total.
“Es casi impensable que podamos extraer estas 100 partículas de este enorme conjunto de datos”, dice Lee, quien junto con Wang realizó múltiples controles para verificar su observación.
“Todas las noches me preguntaba, ¿es esto realmente una señal o no?” Wang recuerda. “¡Y al final, los datos dijeron que sí!”
En el próximo año o dos, los investigadores planean recopilar muchos más datos, lo que debería ayudar a dilucidar la estructura de la partícula X. Si la partícula es un tetraquark estrechamente unido, debería decaer más lentamente que si fuera una molécula débilmente unida. Ahora que el equipo ha demostrado que las partículas X se pueden detectar en el plasma de quarks-gluones, planean probar esta partícula con plasma de quarks-gluones con más detalle, para precisar la estructura de la partícula X.
“Actualmente, nuestros datos son consistentes con ambos porque aún no tenemos suficientes estadísticas. En los próximos años tomaremos muchos más datos para poder separar estos dos escenarios”, dice Lee. “Eso ampliará nuestra visión de los tipos de partículas que se produjeron abundantemente en el universo primitivo”.
