Un reciente artículo publicado por la colaboración CMS del LHC describe cómo sus equipos han sondado los quarks a una escala de 10-20 metros para poner a prueba esta hipótesis.
Imagen: A. Iqbal/ CMS
A esta escala, no se ha observado ningún indicio de posibles constituyentes básicos, pero la historia muestra que estructuras que alguna vez se consideraron fundamentales pueden revelar subestructuras profundas: así se descubrió que la materia estaba formada por moléculas, compuestas a su vez por átomos, que a su vez consisten en un núcleo denso rodeado por una nube de electrones.
Rutherford descubrió el núcleo atómico al enviar un haz de partículas (núcleos de helio) sobre un blanco constituido por una lámina de oro. Constató que estas partículas se desviaban en diferentes ángulos debido a la estructura de los átomos de oro. Luego, Rutherford midió los ángulos de las trayectorias de las partículas desviadas.
Al estudiar la distribución de estos ángulos (ángulos de dispersión), logró demostrar que los átomos contienen en su centro un núcleo puntual. Este experimento pudo realizarse porque el haz de helio utilizado en el dispositivo experimental tenía suficiente energía para sondear el interior de los átomos.
Posteriormente, se demostró que el núcleo está compuesto por protones y neutrones, que a su vez están formados por quarks. Los experimentos del LHC, incluido CMS, continúan hoy estas investigaciones haciendo colisionar partículas a energías extremadamente altas para sondear la posible estructura interna de los quarks.
Cuando dos haces de protones chocan en CMS, los quarks que los componen se dispersan en dos chorros (jets) o lluvias de partículas que pueden medirse y utilizarse para reconstruir el ángulo de dispersión entre los quarks.
La distribución de los ángulos de dispersión entre los dos jets puede luego compararse con la distribución que se esperaría si el quark fuera efectivamente una partícula puntual. Los recientes resultados de la colaboración CMS, basados en datos del segundo período de operación del LHC, no mostraron ninguna contradicción significativa con la distribución de dispersión de una partícula puntual. Esto significa que, si los quarks son estructuras compuestas, es poco probable que su tamaño supere los 10-20 m.
El tamaño se estima a partir de las restricciones relativas a la escala de energía a la que podría revelarse el carácter compuesto del quark. En cuanto al modelo de referencia utilizado para el reciente artículo de CMS, que asumía un quark compuesto, los últimos resultados fijan el límite más estricto hasta la fecha en 37 TeV.
De la misma manera que Rutherford pudo identificar los componentes del átomo porque su haz de partículas tenía suficiente energía, el estudio de colisiones de partículas a energías superiores podría permitirnos detectar potenciales estructuras más pequeñas dentro de los quarks.
Los datos provenientes del tercer período de operación del LHC y del futuro LHC de alta luminosidad podrían contribuir a reducir las incertidumbres relacionadas con la medición del ángulo de dispersión, lo que permitiría detectar estructuras aún más diminutas y continuar la búsqueda de los "ladrillos" más pequeños de la materia.