Cómo la máquina más grande del mundo comprende el funcionamiento de los componentes básicos de (anti) materia.
La antimateria era tan abundante como los problemas normales en el universo muy temprano, poco después del Big Bang. La antimateria es aproximadamente la misma que el material y tiene la tarifa opuesta. Y cuando se encuentran la antimateria y la materia, se aniquilan y dejan algo más que energía. Tal aniquilación fue algo que experimentaron casi todos los primeros universos. Lo que podemos observar como planetas, estrellas y galaxias es una pequeña parte de los problemas restantes, con todos los antimateria que desaparecen. Esta pequeña pero muy importante asimetría de las actitudes materiales es la razón de la existencia del universo, tal como la conocemos. Sin embargo, una comprensión más profunda de esta asimetría nos evita, y es una de las preguntas más básicas que los físicos de partículas (como el profesor Gersabeck) están tratando de desentrañar.
Durante décadas, los físicos de partículas han estudiado el comportamiento de los componentes fundamentales de la materia. Utilizan colisiones de partículas aceleradas con máquinas de tamaños cada vez mayores para producir partículas de interés. A veces, estos pueden ser de una masa similar a las partículas originales que pasaron a través del acelerador. Sin embargo, después de la equivalencia de la cantidad de energía de Einstein expresada a través de E = Mc², las colisiones de partículas de alta energía pueden producir nuevas partículas a gran escala, como el bosón de Higgs, descubierto en la gran cantidad de hadrones del CERN (LHC) en 2012. Con una circunferencia de 27 km, el LHC es la máquina más grande del mundo, igualada con cuatro experimentos principales que rodean el punto de la colide.
Física de sabor
Los componentes básicos de los protones y neutrones que componen el núcleo son los llamados quarks. No pueden existir como partículas libres, pero también pueden formar otros objetos unidos. Hay seis quarks diferentes llamados sabores. El quark superior es más pesado que los átomos de tungsteno y se desintegra en partículas más ligeras antes de formar partículas unidas. Los otros tres sabores menos comunes, encanto, rareza y partículas de belleza que se pueden producir en colisiones. Cuando estos quarks coinciden con los huesos de carks de huesos, forman un gran laboratorio para estudiar la asimetría material y de actitud. Esto está en el corazón de lo que se llama física de sabor.
El grupo del profesor Gersabeck en la Universidad de Friburgo en Alemania es una de las últimas incorporaciones a alrededor de 100 laboratorios que forman la colaboración de LHCB. Juntos, actualmente construyen y ejecutan el experimento LHC-Beauty (LHCB), uno de los cuatro principales laboratorios LHC. Este experimento dedicado de física de sabor está diseñado principalmente para estudiar partículas, incluidos los quarks de encanto y belleza. Se ejecutó por primera vez de 2010 a 2018, y después de amplias actualizaciones a la mayoría de los subsistemas, se ha establecido como un jugador importante en el campo de la física del sabor. El profesor Gelsabek se mudó a Friburgo en 2024, anteriormente liderando uno de los equipos LHCB más grandes de la Universidad de Manchester, Reino Unido.
El experimento LHCB ya puede mirar hacia atrás en una serie de descubrimientos y logros de medición innovadores, incluidas algunas de las áreas de oposición material. Esto incluye la primera vez que se observó asimetría en la atenuación de partículas que contienen quarks de encanto. El profesor Gersabeck es uno de los miembros de LHCB más antiguos que trabajan en física de encanto. Este hallazgo completó el conjunto después de observado previamente en partículas con quarks extraños (primero en 1964) y quarks de belleza (primero en 2001), seguido de asimetría antimaterial observada.
La mayor parte de la asimetría de las actitudes materiales observadas hasta ahora puede explicarse dentro de los mecanismos ya asumidos en 1973, pero es una parte integral de lo que se llama modelo estándar de física de partículas. Sin embargo, estas asimetrías son mucho menos suficientes para explicar la dominación de los problemas en el universo. Por lo tanto, la caza está dirigida a nuevas fuentes asimétricas conectadas a nuevas partículas más allá del modelo estándar.
Efecto cuántico
Las nuevas partículas, mucho más pesadas que todas las partículas conocidas, pueden afectar la amortiguación de las partículas del modelo estándar a través de los efectos mecánicos de la cuántica. Dichos efectos pueden conducir a cambios en la tasa de descomposición, cambios en la distribución angular de los productos de descomposición o la asimetría de nuevas materias y actitudes. Una observación de tal efecto podría ser evidencia clara de física más allá de los modelos estándar. Sin embargo, es una combinación de varias observaciones de nuevos efectos que pueden identificar la naturaleza de estas nuevas partículas.
Históricamente, la física de los sabores ha demostrado este camino hacia el descubrimiento varias veces a través de los efectos cuánticos. A principios de la década de 1960, solo se conocían a quarks arriba, abajo y extraños. La ausencia de una observación de descomposición de partículas extrañas particulares condujo al cuarto quark, la existencia de atracción. Incluso antes de que se descubriera esto, el descubrimiento de la asimetría material y de actitud predijo dos quarks más, top y belleza. En una técnica similar, los físicos de sabores han estado tratando recientemente de descubrir impresiones cuánticas de nuevas partículas en mediciones que se realizan con mucha más precisión que las posibles en el siglo pasado.
La predicción del Upper Quark ha existido durante más de 20 años desde que se descubrió. Por otro lado, se predijo que su masa era mucho más pesada que la de otros quarks, en contra de las expectativas, en función de los resultados de otra medición de física de sabor. Esta medida estudió la imagen del espejo antimateria y la velocidad a la que las partículas neutras que contienen quarks cosméticos vibran en la parte posterior. Tales partículas vibratorias son el laboratorio principal para estudiar las diferencias entre la materia y las actitudes, y son el foco de la investigación del profesor Gelsabek y su grupo.
Rompecabezas encantadores
La asimetría de actitud de Charm descubierta por el experimento LHCB 2019 no puede explicarse de manera simple por la asimetría del modelo estándar. Algunas estimaciones teóricas muestran asimetría sobre un orden de magnitud menor que el medido por el LHCB. Sin embargo, hasta ahora, no todos los supuestos pueden probarse en la medida en que excluyan las explicaciones dentro del modelo estándar.
La situación inexplicable de los orígenes de la asimetría de actitudes atractivas ha abierto un nuevo campo de investigación. Los tres caminos prometen desentrañar esta ventana al mundo de la antimateria. El primero es una medición de mayor precisión de la asimetría observada. Esto incluye nuevas mediciones con LHCB y otras mediciones experimentales. Sin embargo, no se espera que los experimentos excedan la precisión de los LHCB. Una mayor precisión del efecto identifica la magnitud del conflicto potencial con el modelo estándar.
El segundo camino es una medida de amortiguación complementaria de partículas de encanto. Se sabe que algunos de estos son principalmente inmunes a los efectos más allá del modelo estándar, lo que nos permite proporcionar un punto de referencia para comparar. Otros tienen diversos grados de sensibilidad a los efectos de nuevas partículas debido a los efectos cuánticos. Las observaciones de estas mediciones facilitan una identificación más precisa de nuevos tipos de partículas. Este es el grupo del profesor Gersabeck hasta ahora que ha seguido hasta ahora durante varios años sin ninguna indicación clara de nueva asimetría.
El tercer camino es una búsqueda de asimetría relacionada con las vibraciones antimaterias de masa antes mencionadas de partículas neutras. La asimetría esperada dentro del modelo estándar es a menudo pequeña, lo que hace que las mediciones distintas de cero sean un descubrimiento físico más allá del modelo estándar. Estas mediciones también son el foco de larga data del grupo del profesor Gersabeck.
La precisión final se logra a través de una combinación estadística de mediciones de todos los experimentos relacionados en todo el mundo. Esta combinación es realizada por el grupo promedio de sabores pesados donde el profesor Gersabeck colabora en la sección de asimetría del encanto. El siguiente diagrama muestra cómo la asimetría actual tiene un efecto solo con atenuación.
Precisión en tiempo real
Las mediciones de física de partículas se basan en muchas observaciones del mismo fenómeno, lo que generalmente reduce la incertidumbre estadística en la raíz cuadrada del número de observaciones. Esto significa que necesita acumular un conjunto de datos más grande. Y para hacer esto en tiempo finito, debe acumularse a una tasa de colisiones cada vez mayor. Este es un desafío formidable tanto para los sistemas de detección como para la recopilación de datos y la infraestructura de procesamiento.
Hoy, un sistema de 20 m de alta precisión, el detector LHCB completo se lee 40 millones por segundo por cada colisión en LHC. Esto requiere que el elemento sensible pueda realizar la medición y enviar una señal dentro de 25 nanosegundos. Con cada colisión, el detector LHCB debe rastrear cientos de partículas e identificar una atenuación de partículas interesante en el exceso de las partículas adicionales, en gran medida no relacionadas. Esto corresponde a una velocidad de datos de 40 terabits por segundo que debe procesarse en tiempo real, cubriendo aproximadamente el 4% del ancho de banda global de Internet en 2022.
Una de las partes más innovadoras del experimento LHCB es el esquema de procesamiento de datos en tiempo real. Por primera vez en experimentos de física de partículas, el procesamiento está completamente basado en software, proporcionando un aumento significativo en la flexibilidad y la precisión. En la primera etapa, una red de más de 300 unidades de procesamiento de gráficos identifica una firma interesante de más de 300 unidades de procesamiento de gráficos. Las colisiones de interés se almacenan en buffers de disco, y el detector completo se calibra, lo que permite que la selección posterior avance la mejor calidad de datos. Esta calibración es actualmente responsable del grupo del profesor Gersabeck. La selección final realizada en la unidad de procesamiento central produce una salida de 80 gigabits por segundo y se almacena permanentemente para el análisis posterior.
Oportunidades futuras
Se planean aumentos adicionales en las tasas de colisión para mediados de los 2030 para facilitar los cambios en otro paso en precisión. Esta llamada actualización 2 de LHCB empuja los límites de lo que es técnicamente viable para mejorar lo que se resuelve con las mediciones existentes y abrir nuevas oportunidades de medición. El grupo del profesor Gersabeck participa activamente en el desarrollo de nuevas soluciones para los detectores de seguimiento de partículas más grandes en los experimentos de LHCB.
Anteriormente, mientras que en Manchester, era responsable de construir un módulo de detector relativamente pequeño que actualmente rodea el punto de colisión, pero el profesor Gersabeck está trabajando actualmente en un detector de zechnología que cubre un área activa de casi 100 metros cuadrados. Su grupo está involucrado en fibras de centelleo delgadas sub-milímetro (similar al módulo de detector de corriente que se muestra en la foto debajo del tubo del haz) y las piezas utilizadas para explotar los sensores de píxeles de silicio.
Además de permitir responder preguntas muy básicas, desde sensores hasta hardware de recopilación de datos, tecnología y algoritmos analíticos que conducen regularmente aplicaciones accidentales en muchas otras áreas. Existen muchas vías de intercambio de conocimiento, incluidas áreas como imágenes médicas y aplicaciones de seguridad. Del mismo modo, los expertos en datos de partículas a menudo analizan las habilidades utilizadas en los desafíos de big data en todo el mundo.
Como tal, este campo es un campo de entrenamiento muy versátil para una generación de físicos altamente calificados. Trabajar con una variedad de grupos de compromiso también puede experimentar esta amplitud para los estudiantes e investigadores de carrera temprana, promoviendo intereses y fortalezas, ya sea en el desarrollo de nuevos dispositivos o las últimas aplicaciones de oportunidades de inteligencia artificial. Tal trabajo solo se puede lograr a través de esfuerzos colaborativos y de colaboración en equipos interdisciplinarios, desde estudiantes hasta profesores, ingenieros e ingenieros. En el camino, quedan innumerables descubrimientos para comprender el mundo cuántico místico de la antimateria.
Este artículo también se presentará en la 23a edición de trimestralmente Publicación.
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