miércoles, 11 de marzo de 2015

Life, the universe and everything? World's largest machine gets ready to restart

Life, the universe and everything? World's largest machine gets ready to restart

Story highlights

  • The LHC, a 27km (17 mile) particle accelerator, is ready to fire up again after a two-year upgrade
  • After nailing down the elusive Higgs boson particle in 2013, physicists are now on the trail of dark matter
  • Dark matter has never been observed, but it makes up nearly 85 percent of all the matter in the universe

(CNN)It may not provide the answer to life, the universe and everything, but when the Large Hadron Collider at Geneva's CERN starts up again this month, particle physicists are planning to give this question their best shot.

Having finally nailed down the elusive Higgs boson particle in 2013 -- the elementary particle that has unlocked some of the universe's longest-standing secrets -- physicists are now on the trail of dark matter.

And with the Large Hadron Collider (LHC) -- the 27km (17 mile) circumference particle accelerator that occupies a tunnel on the Franco-Swiss border -- now tricked out with new magnets, more powerful energy beams and a tighter vacuum, scientists are hoping to shine a light on some of the universe's more arcane phenomena.

"Higgs was the final piece of the jigsaw of what we call the Standard Model of particle physics," Dr Mike Lamont, operations group leader at the facility, told CNN. "But we know that this model is not complete."

 

Dark matter

 

"One of the big things we know is out there -- but we don't yet understand -- is dark matter.

"There's a lot of astronomical observations to support the fact that this stuff exists, so this is one thing that we might hope shows up."

Dark matter is currently a hypothesis. It is a type of matter that can't be seen but whose presence can be inferred from its gravitational effects on visible matter, radiation and even the very structure of the universe.

Physicists believe this unseen material makes up about 85 percent of all the matter in the universe. Regular matter, which we are made of along with all the stars, planets and other tangible cosmic material, accounts for just around 4 percent of the mass-energy of the known universe. In other words, the vast majority of what constitutes reality still eludes us.

Particle physicists will no doubt be on the edge of their seats when the new souped-up collider is put through its paces this month, although it can take months for the data to be processed.

"There are a number of theories that give you dark matter candidates -- one of the favourites issupersymmetry," Lamont said, adding that the team got no sign of it at all in the facility's first three-year run.

"What the physicists are hoping is that with the step up in energy we will be able to explore a bit more of parameter space and that something dramatically new will show up.

 

 

Eyes on the prize

 

"If it does, it's Nobel prizes all around; it really will be a major breakthrough. If it's not, then it's back to the drawing board."

The increased energy of the new collider will be key to the new studies. The energy of collisions in the LHC in 2015 will be 13 TeV (teraelectron volt) compared with 8 TeV in 2012 during its last run.

While the facility is a big industrial user of power -- about 180MW when it's running at full tilt -- it's not quite powerful enough to dim the lights or send the air-conditioning down in surrounding areas.

One of the big things we know is out there - but we don't understand - is dark matter

Dr Mike Lamont

"We have a dial that tells us how much energy we're using - it would be equivalent to about 10% of the total power in the Geneva canton," Lamont said.

But anyone expecting a "Bride of Frankenstein" scenario of flashing lights and crackling electrical discharges is going to be disappointed. According to Lamont, while the machine is tremendously powerful, it operates within a vacuum, making it relatively quiet.

"The beam itself does hum, we can hear it oscillating, but the collision energy between one proton and another -- while it's a huge amount of energy for a proton -- is like a house fly hitting another house fly at 5 miles per hour.

"The beam, however, does have a huge amount of energy and we have to be very careful with it."

 

The Big Bang

 

He said the proton beam is launched at a tangent to the ring and when the energy of the beam needs to be absorbed, they use a graphite block to damp it.

"Now that really does give a good bang," Lamont said. "We had microphones down there and this you could hear."

While there are billions of protons per package sent hurtling through the collider at a rate of 11,000 times per second, only 20 or 30 protons per package will actually collide to produce an effect that can be studied.

Scientist must monitor equipment that registers hundreds of millions of collisions per second typically over 12-hour periods.

"The experiments need this because the interesting stuff like the Higgs is extremely rare. Only very rarely do these collisions produce something interesting and this is the big challenge for us -- to trigger the interesting stuff," he said.

 

Plenty of good physics

 

The Higgs may have gone a long way to answering the questions thrown up by the Standard Model, but Lamont says there will still be plenty of good physics to be examined by what is effectively the world's biggest machine.

"We're planning a major upgrade in 2023-25 -- there'll be new more powerful focusing magnets installed and some other upgrades and this will allow us to multiply by five the number of collisions we can deliver.

"That program is planned out until 2035 ... there are some interesting milestones coming up."

He remains sanguine, however, about the possibility that after weeks of collisions and months and sometimes years of study, scientists and researchers may have actually moved further away from answering the mysteries and paradoxes of particle physics beyond the Standard Model.

"Maybe the universe is a bit simpler than we think it is," Lamont said.

Au CERN, un LHC tout neuf pour percer les mystères de l’Univers

PHYSIQUE Jeudi 12 mars 2015
 

Au CERN, un LHC tout neuf pour percer les mystères de l’Univers

Après une cure de renforcement, le Grand collisionneur du CERN est désormais deux fois plus puissant . Les scientifiques partent à la chasse aux particules inédites, parmi lesquelles la fameuse matière noire

Explorer un continent encore vierge, avec une voiture dernier cri rendue encore plus puissante par quelques améliorations. C’est l’aventure dans laquelle vont se lancer les physiciens du CERN. Leur accélérateur de particules, le Grand collisionneurs de hadrons (LHC), va redémarrer sous peu. Plus sûr, solide et puissant qu’en février 2013, lorsqu’il a étéarrêté pour une période d’entretien et de renforcement. En point de mire: la quête de réponses aux mystères de l’Universconcernant l’existence de particules inédites, la fantomatique «matière noire», la mythique antimatière, des dimensions cosmiques supplémentaires ou des théories jusque-là invérifiables.

L’excitation est palpable. A la hauteur de celle qui a prévalu lors du premier lancement de cette fantastique machine à découvertes, en 2008.Un anneau tubulaire de 27 km, enfoui sous la frontière franco-suisse, dans lequel circulent à une vitesse proche de celle de la lumière des grappes de protons qui se collisionnent frontalement au cœur de quatre immenses détecteurs placés sur cette boucle. Mais à l’époque, les savants savaient précisément ce qu’ils cherchaient: le boson de Higgs. Cette particule, qui explique pourquoi toutes les autres ont une masse, a été repérée en juillet 2012. C’était l’une des découvertes scientifiques les plus importantes de l’histoire. Ce corpuscule représente en effet la clé de voûte du Modèle standard, la belle théorie échafaudée depuis des lustres pour expliquer la matière et les forces présentes dans l’Univers.

«Désormais, nous devons être plus ouverts d’esprit, tant les possibilités de découvertes sont riches et variées», avise Dave Charlton, porte-parole de l’un de ces quatre instruments, Atlas. «Cette relance du LHC, avec une énergie plus puissante, est l’une des étapes les plus importantes qui aient jamais eu lieu en physique des particules.»

Elle permettra notamment de préciser la fiche signalétique du boson de Higgs. Mais avant tout, cette deuxième «saison» du LHC rendra possible l’étude de concepts que le Modèle standard, aussi abouti qu’il soit, n’explique pas. Parmi ceux-ci, la matière noire, Arlésienne de la physique, qui compose 21% de l’Univers. Une entité mystérieuse, dont l’existence a été postulée par Fritz Zwicky en 1933, alors que l’astronome suisse étudiait la rotation des amas de galaxies. Ses mesures indiquaient que les amas tournaient plus vite que ce que prévoyait la théorie. Il en avait alors conclu que ceux-ci devaient contenir une importante masse invisible. Car sans cette dernière, les galaxies auraient dû être éjectées des amas, sous l’effet de la force centrifuge. A ce jour, les physiciens n’ont jamais mis la main sur la moindre particule de matière noire et doivent se contenter d’hypothèses.

Il en existe depuis des décennies, telles que l’existence d’axions, particules ultra-légères postulées dans les années 1970 déjà, ou les WIMPs, acronyme anglais pour «particule massive interagissant faiblement», d’une masse 10 à 10 000 fois plus importante que le proton, mais passant inaperçues – comme le dit leur nom. A moins qu’il s’agisse d’une particule issue d’une théorie élégante et populaire parmi les physiciens: la supersymétrie, ou SuSy. Celle-ci avance que toutes les particules connues possèdent une particule «miroir», beaucoup plus lourde – l’électron aurait ainsi son pendant, le «s» électron. «Ces superparticules sont des candidates naturelles pour expliquer la matière noire», dit Dave Charlton. Mieux, SuSy, si elle est confirmée, pourrait être alors la théorie plus large, englobant le Modèle standard, dont rêvent les théoriciens pour obtenir une vue générale et exhaustive du fonctionnement de l’Univers. Apercevoir ne serait-ce que des traces de l’une ou l’autre de ces particules inédites, même indirectement (c’est-à-dire sous la forme de produits de désintégration), permettrait aux physiciens de faire des pas de géant.

Pour y parvenir, ils ont donc amélioré le LHC: remplacement d’aimants guidant la trajectoire des protons, pose d’interrupteurs permettant de minimiser l’impact global sur l’engin d’une défaillance locale, amélioration des systèmes de vide et de cryogénie (l’accélérateur est maintenu à une température d’au plus 1°C au-dessus de celle du «zéro absolu», –273,15 °C).

Surtout, lorsque le LHC 2.0 redémarrera, l’énergie des collisions de particules sera de 13 téraélectronvolts, ou TeV (soit 6,5 TeV par faisceau), contre 8 TeV en 2012. Chaque proton portera ainsi treize fois l’énergie d’un moustique en vol, à la différence que celle-ci sera concentrée dans un volume mille milliards de fois plus petit. Autant dire que l’énergie dégagée lors des télescopages frontaux sera faramineuse! Une énergie qui peut se transformer en masse, d’après l’équation d’Einstein E = mc2. Ainsi, une grande quantité d’énergie peut permettre de faire naître des particules de grande masse, pourquoi pas des particules de matière noire, comme l’espèrent les physiciens.

Le problème, explique Tiziano Camporesi, porte-parole de l’expérience CMS , semblable à Atlas, «c’est que ce n’est pas la présence directe de ces corpuscules que nous traquerons. Nous chercherons à voir s’il manquera quelque part un peu d’énergie dans le bilan énergétique final d’une collision, ce qui voudrait dire que des particules inédites ont emporté avec elles ce petit manque – un signe de leur existence. Or nous devons mettre en place un contrôle systématique de la performance de nos détecteurs, de manière à ne pas pouvoir attribuer des signaux inhabituels dans les données à un autre effet.»

Dès lors, les paquets de protons envoyés dans le LHC seront moins denses, pour permettre de mieux distinguer et identifier les produits de chaque feu d’artifice corpusculaire. Ces grappes seront par contre injectées à des intervalles de temps plus courts qu’en 2012, ce qui produira davantage de collisions. Pour stocker cette avalanche de données, les ingénieurs ont installé près de 60 000 nouveaux cœurs de processeurs et plus de 100 pétaoctets de mémoire supplémentaire – l’équivalent d’environ 700 ans de films en haute définition! «D’ici à 2018, nous aurons accumulé six fois plus de données que pendant toute la première période d’exploitation du LHC», dit Dave Charlton. Une montagne d’informations qui permettra d’améliorer les statistiques, et de donner du sens et de la validité aux événements les plus rares.

Cela posé, rien ne dit qu’il faille attendre des années avant une percée. «Il est possible que des signatures d’événements extraordinaires surviennent dès les premières heures après la relance, dit Tiziano Camporesi. C’est pour cette raison que, tout en devant recalibrer la machine, nous sommes maintenant en train de réfléchir à la meilleure stratégie pour attribuer au mieux nos canaux d’analyse, afin de ne rien manquer au cas où… Tout va dépendre de la générosité de la nature.»

sábado, 21 de febrero de 2015

Japón estudia el origen del universo debajo de una montaña

FÍSICA

Japón estudia el origen del universo debajo de una montaña

Científicos de trece países lanzan un proyecto que buscará pruebas de una teoría de unificación de la física

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Interior del Super Kamiokande. Hyper Kamiokande será 20 veces mayor / KAMIOKA OBSERVATORY

 

Para responder a preguntas esenciales como por qué existimos o cómo es la naturaleza del universo, hace tiempo que no bastan las cabezas privilegiadas de un puñado de filósofos. En la actualidad, algunas de las máquinas más sofisticadas jamás construidas se dedican a recabar información para poder contestar a estas cuestiones profundas con algo más que especulaciones. El más famoso de estos artefactos es el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el acelerador de partículas de 6.000 millones de euros construido junto a Ginebra (Suiza) que capturó el bosón de Higgs, pero existen otros con objetivos igual de ambiciosos.

Desde hace más de dos décadas, los neutrinos se convirtieron en los peculiares mensajeros elegidos por Japón para obtener información sobre algunos de los mayores enigmas del cosmos. Estas partículas no tienen carga eléctrica e interactúan tan poco con el resto de la materia que podrían atravesar un bloque de plomo de más de un año luz de grosor. Con esas características son capaces de viajar grandes distancias sin verse afectados por los campos magnéticos galácticos que desvían a otras partículas cargadas como las que componen los rayos cósmicos. Por eso es más fácil determinar su origen y ya se consideran una herramienta útil para estudiar monstruos espaciales como las supernovas o los agujeros negros. Pero esa es solo una de las posibilidades que ofrecen los neutrinos, unos fantasmas subatómicos que desde hace décadas han proporcionado resultados asombrosos.

A principios de los 80, en la mina de Kamioka, a un kilómetro bajo Tierra, se construyó el Observatorio Subterráneo de Kamioka. El primer gran experimento que se instaló allí no buscaba neutrinos. Protegido por metros de roca que filtran los rayos cósmicos que constantemente bombardean la Tierra y provocan interferencias en los detectores más sensibles, esta construcción buscaba observar algo nunca visto: la desintegración de un protón, una de las partículas fundamentales que componen toda la materia que nos rodea. La materia es estable, en parte, porque los protones son estables, pero se cree que esto no ha sido así siempre. Observar a un protón desintegrándose sería como viajar a un tiempo antiquísimo, cuando el universo aún estaba muy caliente, y sería la prueba de que, a muy altas energías, las tres interacciones fundamentales que ahora se conocen (nuclear débil, responsable de la radiactividad, nuclear fuerte, que mantiene los núcleos atómicos unidos, y electromagnética) serían una sola.

Hyper Kamiokande tratará de observar la desintegración del protón, un fenómeno nunca visto

La tarea no era sencilla. Un protón tiene una vida media mayor de 1034años y ponerse a vigilar a uno solo esperando que se desintegre era una tarea demencial. Para incrementar la probabilidad de capturar este extraño fenómeno sin tener que esperar hasta el fin de los tiempos, era necesario reunir una cantidad ingente de protones. La forma más fácil y barata de lograrlo era construir un gran tanque de agua, que, como toda la materia, está compuesta por un montón de protones, y colocar a su alrededor detectores de luz que pudiesen recoger la desintegración. Ese proyecto fue bautizado como KamiokaNDE.

Proyecto del detector Hyper Kamiokande. El depósito de un millón de litros de agua tendrá 247,5 metros de largo por 48 metros de largo y 54 de alto. Estará situado a una profundidad de casi 1.000 metros en una antigua mina. / HYPER-KAMIOKANDE

El filtro de roca que cubría la mina de Kamioka protegió el experimento de los rayos cósmicos, pero tenía poco que hacer frente a los fantasmagóricos neutrinos, y estas partículas imparables se colaron en KamiokaNDE. Sin embargo, en lugar de malograr sus resultados, les dieron un nuevo sentido. El proyecto nunca logró detectar la desintegración de un protón, pero obtuvo un resultado fascinante. “En 1987, se produjo una supernova en la Nube de Magallanes, una galaxia vecina a la nuestra relativamente cercana a la Tierra”, explica Luis Labarga, director del departamento de física teórica de la UAM y especialista en neutrinos. “Los detectores de KamiokaNDE observaron un flujo de neutrinos claramente fuera de lo normal y al analizar la procedencia de estas partículas entrantes vieron que llegaban desde la Nube de Magallanes, donde se había visto la supernova”, continúa Labarga.

Hasta hace muy poco, aquellos habían sido los primeros neutrinos originados fuera del Sistema Solar observados en la Tierra. Fue el descubrimiento de una nueva herramienta para estudiar algunos de los fenómenos más violentos del universo y por este hallazgo Masatoshi Koshiba, director de los experimentos en Kamioka, recibió el Nobel de Física en 2002.

Observar a un protón desintegrándose sería como viajar a un tiempo antiquísimo, cuando el universo aún estaba muy caliente

Después de aquel éxito, la apuesta japonesa por aquel observatorio se incrementó. En los 90 se construyó un nuevo detector, Super Kamiokande, que trataría de comprobar si los neutrinos oscilan y cambian de sabor cuando viajan a través del espacio. Este fenómeno explicaría una discrepancia entre los neutrinos que se calculaba que debían producirse en el sol y los que llegaban a la Tierra y permitiría concluir que, frente a lo que se pensaba hasta entonces, los neutrinos tienen masa. Para llevar a cabo este experimento, se construyó un tanque descomunal, de 45 metros de diámetro por 45 metros de altura, que se llenó con 50.000 toneladas de agua pura. Como en el caso anterior, Super Kamiokande cumplió su objetivo y ahora se conoce que los neutrinos tienen masa, otro triunfo que podría llegar a merecer un Nobel.

A finales de enero, se ha anunciado un nuevo reto para la física de partículas. Un grupo internacional de científicos de 13 países, entre los que se encuentra Luis Labarga como líder del proyecto en España, quiere poner en marcha Hyper Kamiokande. Este proyecto, que tiene un presupuesto estimado de alrededor de 800 millones de dólares, supone construir un observatorio 20 veces mayor que Super Kamiokande, con un millón de toneladas de agua. A su alrededor, se colocarán 100.000 receptores de luz ultrasensibles, un 50% más que los del observatorio anterior. Toda esta tecnología servirá, en parte, para volver a intentar un logro que no fue posible hace casi tres décadas: detectar la desintegración de un protón.

"Más importante que el higgs"

“La comunidad científica se ha olvidado un poco de la desintegración del protón, pero en el momento en que se descubra, se revolucionará la física porque eso significaría que a altas energías se unifican todas las fuerzas”, plantea Labarga. “Lo que se recoge en el Modelo Estándar [el marco que mejor sirve para explicar el funcionamiento de la materia hasta ahora] es una degeneración de una interacción fundamental a alta energía”, añade. “La observación de la desintegración del protón sería más importante que la observación del bosón de Higgs”, sugiere. Además de permitir echar un vistazo al universo en su origen, esta observación ofrecerá una idea sobre cómo será su final. Con los ladrillos básicos que componen la materia desintegrándose en positrones y rayos gamma, la radiación acabaría haciéndose con el cosmos.

Este epílogo radiactivo sería, de alguna manera, el final diferido de algo que pudo haber sucedido mucho antes. Según las teorías físicas más aceptadas, después del Big Bang se creó una cantidad idéntica de materia y de antimateria. Cada vez que una partícula de un bando entraba en contacto con una del otro, ambas se desintegraban en un gran estallido que solo dejaba tras de sí radiación. Sin embargo, como resulta evidente hoy, en los primeros instantes de existencia del universo, se produjo un pequeño desequilibrio que acabó dando una victoria casi absoluta a la materia.

Una de las maneras en que se puede estudiar la rotura de este equilibrio, conocido como CP, es midiendo aspectos muy precisos de las oscilaciones de los neutrinos. Para detectar esas interacciones, se lanzaría un rayo de estas partículas de alta intensidad desde el acelerador J-PARC, a 300 kilómetros de distancia de Kamioka, que se analizaría a su llegada en el gigantesco detector de Hyper Kamiokande. “Esa violación de CP es esencial para entender la asimetría que hoy vemos que existe entre materia y antimateria”, apunta Labarga.

Para aspirar a resolver estos enigmas, los científicos japoneses y los del resto de países implicados en el proyecto deberán utilizar todos sus encantos para convencer a sus gobiernos de que la búsqueda merece los cientos de millones que tratan de reunir. El pasado 31 de diciembre, en la ciudad de Kashiwa, se produjo la primera reunión para empezar con el trabajo, que se prolongará durante los próximos tres años. Si tienen éxito, en 2025 Hyper Kamiokande podrá empezar a recabar información con la que entender un poco mejor el universo en que vivimos.