Primera observación en el LHC del ‘cono muerto’, un fenómeno esencial en física de partículas

Entre las partículas elementales, los quarks y los gluones, también llamados colectivamente ‘partones‘, se producen en colisiones de partículas como las que tienen lugar en el interior del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), cerca de la ciudad suiza de Ginebra.

Después de su creación, los partones sufren una cascada de eventos llamada ‘cascada de partones‘, a través de la cual pierden energía emitiendo radiación en forma de gluones, los cuales también emiten gluones posteriormente.

El patrón de radiación de esta cascada depende de la masa del partón emisor de gluones y muestra una región, alrededor de la dirección de vuelo del partón, donde los gluones no pueden ser emitidos. A esta zona se la conoce como dead cone, el cono muerto en español.

Ahora la colaboración científica ALICE del LHC ha realizado la primera observación directa del efecto cono muerto, una característica fundamental de la teoría de la fuerza nuclear fuerte, que une los quarks y los gluones para formar protones, neutrones y, al final, todos los núcleos atómicos. Los resultados se publican en la revista Nature.

Además de confirmar este efecto, la observación de ALICE, proporciona un acceso experimental directo a la masa del quark charm (quark encanto), antes de que este quede confinado en el interior de los hadrones.

“Ha sido un gran reto observar directamente el efecto dead cone”, afirma el portavoz de ALICE, Luciano Musa, “utilizando datos registrados durante tres años de colisiones protón-protón en el LHC y con sofisticadas técnicas de análisis de datos, hemos podido finalmente descubrirlo”.

El efecto cono muerto fue predicho hace 30 años a partir de los primeros principios de la teoría de la fuerza fuerte y es frecuente su observación indirecta en los colisionadores de partículas. Sin embargo, su observación directa a partir del patrón de radiación que produce la cascada de partones supone un gran reto para la comunidad investigadora.

Difícil seguir a los partones

La dificultad en la observación del fenómeno dead cone viene dada, principalmente, porque esta región puede estar repleta de partículas en las que se ha transformado el partón emisor, produciendo ruido en la observación, y porque es difícil determinar la dirección de movimiento del partón, pues su posición cambia a lo largo del fenómeno de cascada.

La colaboración ALICE ha superado estos retos aplicando técnicas de análisis avanzadas a una gran muestra de colisiones protón-protón registradas en el LHC. Estas técnicas permiten reconstruir el patrón de la cascada de partones a partir de sus productos finales: las señales que deja un chorro de partículas conocido como jet en el detector ALICE.

Buscando jets que incluyan una partícula que contenga un quark charm, los investigadores pudieron identificar un chorro creado por este tipo de quark y rastrear todo su historial de emisión de gluones. Una comparación entre el patrón de emisión de gluones del quark charm y el patrón de los gluones y quarks prácticamente sin masa reveló una región sin emisiones para el quark charm: el buscado dead cone.

El resultado también evidencia un valor nada despreciable para la masa del quark charm, pues la teoría predice que las partículas sin masa no tienen regiones cono muerto correspondientes.

“Las masas de los quarks son magnitudes fundamentales en la física de partículas, pero no se puede acceder a ellas y medirlas directamente en los experimentos porque, a excepción del quark top, los quarks están confinados dentro de partículas compuestas”, explica el coordinador de física de ALICE, Andrea Dainese., que destaca: “Nuestra exitosa técnica para observar directamente el dead cone de una cascada de partones puede ofrecernos una forma de medir las masas de los quarks”.

Participación española en ALICE

Durante varios años, investigadores del Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE) y del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) participaron en el análisis de la física que detecta ALICE y colaboraron en el diseño del sistema de computación necesario para analizar los datos que registra. Científicos españoles siguen participando hoy en esta colaboración, aunque contratados por instituciones extranjeras o por proyectos internacionales.

Leticia Cunqueiro, investigadora que realizó su doctorado en el IGFAE y que actualmente ejerce como profesora en la Universidad de La Sapienza (Roma) y es miembro de CMS (otro experimento del LHC), fue una de las autoras principales de este análisis, trabajo que lideró desde el Oak Ridge National Laboratory cuando era miembro de ALICE.

“La medida ha permitido mostrar, de un modo creativo, los efectos directos de la masa del quark charm en el ángulo de emisión de la radiación QCD (cromodinámica cuántica)”, afirma Cunqueiro subrayando la importancia de este resultado.