ATLAS y CMS no se parecen a una cámara de burbujas: son cebollas de 7000 y 14 000 toneladas envolviendo el punto de colisión, con decenas de millones de canales electrónicos en vez de fotos. Pero la lógica es una elaboración directa de lo que ya sabes: cada capa explota una manera distinta en que las partículas tocan la materia, y ninguna partícula puede mentir a todas las capas a la vez.
Las cuatro preguntas
Capa 1 — el detector de trazas: silicio finísimo alrededor del vértice, que registra el paso de todo lo cargado sin frenarlo apenas. Dentro de un imán solenoidal, entrega lo mismo que la burbuja: curvatura → momento y signo (la regla 0,3·B·r, una vez más). Capa 2 — el calorímetro electromagnético: material denso donde electrones y fotones mueren en una cascada de pares y radiación cuya luz mide su energía. Capa 3 — el calorímetro hadrónico: lo mismo, más grueso, para lo que interactúa fuerte: piones, protones, neutrones. Capa 4 — las cámaras de muones: el muón, que ni hace cascadas EM (demasiado pesado para radiar como un electrón) ni siente la fuerte, atraviesa todo lo anterior — la capa exterior existe solo para verlo salir.
La identidad es el patrón de respuestas — traza sí/no, cascada dónde, salida sí/no. Recorre las seis firmas:
Elige una partícula y mira qué firma deja en cada capa del detector. Ninguna capa identifica nada por sí sola: la identidad es el patrón.
Traza curvada en el silicio + cascada en el calorímetro electromagnético, donde muere. La combinación traza + cascada EM es su firma.
Problema. En una colisión del LHC se reconstruye todo lo visible y la suma de momentos transversales (perpendiculares al haz) da 42 GeV apuntando hacia la izquierda, cuando debería dar cero. ¿Qué ha pasado?
Solución. Antes del choque no había momento transverso; después tiene que seguir sumando cero. Si lo visible suma 42 GeV a la izquierda, algo invisible se llevó 42 GeV hacia la derecha. Esa energía transversa faltante es la medida estándar de los neutrinos — y la razón de que la cebolla deba ser hermética, sin rendijas: cualquier partícula ordinaria que se cuele por un hueco falsificaría un neutrino.
Resultado. Es el argumento de Pauli de 1930, industrializado: en vez de deducir el neutrino de un espectro, cada suceso lo mide con una resta. Y es frontera viva: la materia oscura, si se produce en el LHC, aparecería exactamente así — como energía faltante que no cuadra con ningún neutrino.
La cebolla en números
Para calibrar la escala: ATLAS mide 44 m de largo por 25 de diámetro — una catedral de seis pisos — con unos 100 millones de canales electrónicos; CMS, más compacto, pesa 14 000 toneladas, con más hierro que la torre Eiffel, y su solenoide de 3,8 T almacena la energía de media tonelada de TNT. Todo ello con precisión de micras: el detector de vértices distingue si una traza nace en la colisión o 100 μm después — así se «ven» los hadrones con quark b del módulo del zoo, por su vuelo de décimas de milímetro antes de morir.
El patrón de diseño. Ligero por dentro (medir sin tocar), denso por fuera (absorber y pesar), hermético siempre (que nada escape sin contar), y el muón como testigo final. Compara con la burbuja: se perdió la foto bella y universal; se ganó velocidad (40 millones de interrogatorios por segundo) y la capacidad de medir lo invisible suceso a suceso. El precio de esa velocidad — que no se puede guardar casi nada — es el tema del último artículo.
Ejercicios
Un suceso muestra: dos trazas de signos opuestos que mueren en el calorímetro electromagnético con cascadas de 45,6 GeV cada una. ¿Qué partículas son, y qué partícula madre reconstruirías? (Pista de la escalera: 45,6 + 45,6 = …)
Solución
Traza + cascada EM = electrones; signos opuestos = e⁺e⁻. Masa invariante (si salen espalda con espalda): 91,2 GeV — un bosón Z en su canal más limpio, Z → e⁺e⁻. Así «pasaba lista» LEP y así recalibra el LHC sus detectores a diario: el pico del Z es tan conocido que sirve de regla patrón. Si las cascadas no tuvieran traza delante, serían dos fotones — y estarías buscando el Higgs.
¿Por qué el muón no hace cascada en el calorímetro electromagnético, si tiene carga y lo cruza? (Pista: la radiación de frenado en materia escala como 1/m² — su prima de sincrotrón del artículo 01 es aún más severa, 1/m⁴.)
Solución
La cascada EM se alimenta de que el electrón radia fotones con facilidad brutal — es ligerísimo. El muón, 207 veces más pesado, radia veces menos: cruza el plomo perdiendo solo la calderilla de la ionización. El mismo factor de masa que en el anillo condena al electrón (pierde su energía en luz) aquí lo delata (muere en cascada), y el que salva al protón en el anillo hace del muón la bala imparable. Una sola ley, tres consecuencias — y de regalo: por eso los muones cósmicos llegan a tu sótano.
Diseña la firma: ¿qué vería la cebolla si en una colisión se produjera junto con un chorro de hadrones de 80 GeV? ¿Y en qué se parece a lo que se espera de la materia oscura?
Solución
Un chorro de 80 GeV (trazas + cascadas hadrónicas) por un lado… y nada enfrente: 80 GeV de energía transversa faltante. Los dos neutrinos escapan sin tocar capa alguna. Esa topología — «monojet + agujero» — es exactamente la búsqueda estándar de materia oscura en el LHC: si existe una partícula oscura producible, haría lo mismo que los neutrinos, solo que sin que ningún Z conocido explique la contabilidad. El fondo irreducible de esa búsqueda es, precisamente, este proceso.