Billar de protones cuánticos: el experimento ATLAS informa las propiedades fundamentales de las interacciones fuertes

La naturaleza cuántica de las interacciones entre partículas elementales permite sacar conclusiones no triviales incluso de procesos tan simples como la dispersión elástica. El experimento ATLAS en el acelerador LHC informa la medición de propiedades fundamentales de interacciones fuertes entre protones a energías ultra altas.

La física de las colisiones de bolas de billar se enseña desde los primeros años escolares. En una buena aproximación, estas colisiones son elásticas, donde se conservan tanto el impulso como la energía. El ángulo de dispersión depende de qué tan central fue la colisión (esto a menudo se cuantifica por el valor del parámetro de impacto, la distancia entre los centros de las bolas en un plano perpendicular al movimiento). En el caso de un parámetro de impacto pequeño, que corresponde a una colisión muy central, los ángulos de dispersión son grandes. A medida que aumenta el parámetro de impacto, disminuye el ángulo de dispersión.

En física de partículas, también nos ocupamos de las colisiones elásticas, cuando dos partículas chocan, mantienen sus identidades y se dispersan un cierto ángulo con respecto a su dirección original de movimiento. Aquí, también tenemos una relación entre el parámetro de colisión y el ángulo de dispersión. Al medir los ángulos de dispersión, obtenemos información sobre la estructura espacial de las partículas que chocan y las propiedades de sus interacciones.

Físicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia, como parte de la Colaboración ATLAS, realizaron una medición de la dispersión elástica en colisiones protón-protón en el acelerador LHC con una energía de centro de masa de 13 TeV.

Debido a los ángulos de dispersión extremadamente pequeños en tales interacciones (menos de una milésima de grado), las mediciones requirieron el uso de un sistema de medición dedicado. Su elemento clave era un conjunto de detectores colocados a más de 200 metros del punto de colisión, pero capaces de medir protones dispersos a distancias de apenas unos milímetros del haz del acelerador.

Esto fue posible gracias a la técnica de las llamadas ollas romanas, que permite colocar detectores dentro del tubo del haz del acelerador y su acercamiento al haz durante la toma de datos. Una contribución importante del grupo de Cracovia fue el trabajo en el sistema de disparo y adquisición de datos, sin el cual no se pueden registrar datos.

El segundo componente importante de la configuración experimental fue la configuración especial de los campos magnéticos que dan forma al haz del acelerador del LHC. En mediciones típicas, el objetivo es maximizar el enfoque del haz para aumentar la frecuencia de interacciones interesantes. Sin embargo, los haces estrechamente enfocados tienen una gran divergencia angular, lo que hace que la medición de la dispersión elástica sea prácticamente imposible. La configuración especial del imán minimiza esta divergencia y garantiza mediciones precisas.

El resultado directo de la medición, publicado en Diario físico europeo C, es la distribución del ángulo de dispersión, o más precisamente, la distribución de la variable t, que es proporcional al cuadrado de ese ángulo. A partir de la forma de esta distribución se extrajeron conclusiones sobre las propiedades fundamentales de las interacciones nucleares fuertes entre protones a muy altas energías. El procedimiento de extracción de esta información se basa en las propiedades cuánticas de la dispersión elástica, efectos que no se observan en el juego de billar.

La primera de estas propiedades es el llamado teorema óptico, que es consecuencia de la conservación de la probabilidad en los procesos cuánticos. Relaciona las interacciones elásticas con las inelásticas (es decir, aquellas en las que se producen partículas adicionales). Dado que los protones en las colisiones estudiadas tienen una energía muy alta, los procesos inelásticos ocurren con frecuencia. El teorema óptico permitió determinar el valor de un parámetro llamado sección transversal total a partir de mediciones de interacciones elásticas solamente.

La sección transversal es una cantidad utilizada en física de partículas para describir la probabilidad de una reacción particular. La sección transversal total describe la posibilidad de cualquier tipo de colisión protón-protón y está relacionada con el tamaño del protón. El resultado publicado por la Colaboración ATLAS es la medida más precisa de este parámetro a 13 TeV de energía.

La alta precisión fue posible, entre otros factores, por la determinación precisa de la posición del detector, de la cual fue responsable el grupo PAN de la FIP. El resultado obtenido confirma una propiedad importante de las interacciones fuertes: el aumento de la sección transversal total con el aumento de la energía de colisión. Este aumento se puede considerar como el aumento del tamaño del protón con la energía.

Tener un conocimiento preciso de la sección transversal total es de interés no solo para estudiar las interacciones fuertes sino también en otras áreas de la física de partículas. Las interacciones fuertes son relevantes, por ejemplo, en la búsqueda de nueva física en experimentos en el LHC, donde actúan como fondo, así como en la investigación de rayos cósmicos, donde son responsables del desarrollo de lluvias de aire cósmico. El modelado preciso de estos procesos es posible gracias a mediciones precisas de cantidades como la sección transversal total.

En las colisiones protón-protón, la dispersión elástica puede ocurrir a través de dos mecanismos: interacción nuclear fuerte e interacción de Coulomb, es decir, la repulsión entre cargas eléctricas. La segunda consecuencia de la naturaleza cuántica del proceso estudiado es la interferencia entre estos mecanismos. La interferencia depende de sus amplitudes de dispersión.

La amplitud de dispersión es una medida de probabilidad utilizada en la física cuántica. A diferencia de la probabilidad ordinaria, sus valores no son números reales sino números complejos. Por lo tanto, se describe por su magnitud y fase o por sus partes real e imaginaria. Dado que las interacciones de Coulomb se comprenden bien y se puede calcular su amplitud de dispersión, al medir la interferencia, obtenemos información sobre las partes real e imaginaria de la amplitud nuclear.

El valor medido experimentalmente de la relación entre las partes real e imaginaria de la amplitud nuclear resulta ser significativamente menor que las predicciones de los modelos teóricos anteriores al LHC. Estos modelos se derivan de ciertas suposiciones sobre las propiedades de las interacciones fuertes. La discrepancia observada desafía estas suposiciones.

La primera suposición es que a muy altas energías, las propiedades de las colisiones protón-antiprotón son las mismas que las de las colisiones protón-protón y antiprotón-antiprotón. Esto se debe a que, aunque los protones están formados por quarks y gluones, las colisiones a altas energías solo ocurren predominantemente entre gluones. Dado que la estructura de gluones de protones y antiprotones es la misma, la suposición natural es que las interacciones en diferentes sistemas son idénticas. Permitir una diferencia, que es posible debido a la naturaleza cuántica de las interacciones, hace que los modelos teóricos describan los datos experimentales.

La segunda suposición de los modelos teóricos se refiere al crecimiento de la sección transversal total con energía. Se asumió que su carácter para energías superiores a las actualmente medidas en el acelerador LHC es el mismo observado hasta ahora. La discrepancia observada también puede explicarse por una desaceleración de este crecimiento a energías superiores a la energía del LHC.

Ambas hipótesis consideradas se refieren a las propiedades básicas de la interacción fuerte a altas energías. Independientemente de cuál sea la verdadera, las mediciones informadas arrojan luz sobre nuestra comprensión de las interacciones fundamentales de las partículas.

En la actualidad, los detectores utilizados en los estudios descritos se están preparando para realizar más mediciones de dispersión elástica a energías aún más altas. El Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia también está investigando otros procesos en los que tanto las interacciones fuertes como las electromagnéticas desempeñan un papel importante. La técnica de las vasijas romanas juega un papel crucial en estos estudios.