Caitlin Gainey y algunos de sus amigos de Yale pasaron el verano en Europa caminando por las montañas, paseando por pueblos medievales y buscando colisiones de partículas subatómicas que pocos humanos han visto.
Gainey, un estudiante de último año de Yale College que estudia astrofísica, junto con sus compañeros de último año de Yale Dawson Thomas, Matthew Murphy y Alexandra Haslund-Gourley, realizaron una investigación crítica en uno de los centros de física más importantes del mundo: el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN (la Organización Europea para la Investigación Nuclear), ubicado en las afueras de Ginebra, Suiza. Formaban parte de un equipo científico dirigido por Sarah Demers, profesora de física en la Facultad de Artes y Ciencias de Yale.
El Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más grande del mundo, ubicado en un complejo subterráneo gigante, se reinició a mediados del verano después de cuatro años de actualizaciones. Los físicos utilizan la instalación para probar teorías sobre las leyes fundamentales de la física, desde la composición del espacio y el tiempo hasta la relación entre la mecánica cuántica y la relatividad general.
El trabajo de los estudiantes de Yale fue analizar colisiones de prueba de partículas subatómicas, buscar partículas específicas como bosones Z y partículas J/Psi, y crear presentaciones visuales de las colisiones. El trabajo involucró una gran cantidad de conocimientos de física, codificación informática y experiencia en gráficos.
Su visita coincidió con el 10el aniversario del descubrimiento del bosón de Higgs, una partícula fundamental del orden de un electrón o un quark, un hito celebrado por los científicos del CERN en julio. Durante el mismo mes, el CERN anunció el descubrimiento de tres nuevas partículas, un pentaquark y dos tetraquarks, utilizando un rayo acelerador más potente.
Las pantallas de eventos creadas por los estudiantes de Yale, que ilustraban colisiones de partículas específicas, fueron una parte destacada del anuncio.
“Fue un momento emocionante para estar en el CERN, y estos estudiantes estaban en el meollo”, dijo Demers, científico investigador asociado del CERN, colaborador del experimento ATLAS en el LHC y parte del equipo de investigación internacional que descubrió el bosón de Higgs. (junto con los físicos de Yale Keith Baker y Paul Tipton).
“Estoy increíblemente impresionada con lo que lograron”, dijo.
Conocer al equipo
El cuarteto de físicos de Yale College llegó a Suiza en mayo, con una variedad de habilidades científicas e intereses de investigación.
Haslund-Gourley, oriunda de Santa Bárbara, California, ha sido una apasionada de la física desde la escuela primaria. Anteriormente completó una pasantía de física en las instalaciones de Fermilab en los suburbios de Chicago, y presenta un podcast de ciencia, «Horario de oficina extendido», en Spotify.
Thomas, que es de los suburbios de Atlanta, estudia física y matemáticas, con un interés especial en el uso de métodos de aprendizaje automático geométricos y topológicos para explorar la física de partículas.
Gainey, como Haslund-Gourley, creció en Santa Bárbara. Ya había trabajado en tres laboratorios de ciencias durante su tiempo en Yale: dos de ellos eran laboratorios centrados en la investigación astronómica y uno trabajaba en física de partículas. Su interés de investigación es aplicar técnicas de ciencia de datos a ambos campos.
Murphy, un miembro del equipo de remo de Yale de Portland, Oregón, no tenía experiencia previa en el laboratorio antes de enviar un correo electrónico a Demers, su ex profesora en PHYS 200, para preguntarle sobre oportunidades de investigación en el laboratorio de su campus. Ella le dijo que podía hacer eso, o que él simplemente podía venir a Suiza.
“Esta fue la primera vez que hice una investigación”, dijo Murphy. “No sabía qué esperar”.
Llegaron a su apartamento alquilado en las afueras de Ginebra durante una fuerte tormenta la tercera semana de mayo. Sus excavaciones estaban a solo 10 minutos en tren del CERN.
Con Demers guiando el camino, rápidamente se pusieron a trabajar.
‘Esta tierra mágica’
Los estudiantes universitarios de Yale ingresaron a la escena del CERN en medio de una ola de actividad. El Gran Colisionador de Hadrones, que se puso en marcha por primera vez en 2008, estaba comenzando su tercera serie extendida de colisiones de partículas con una serie de colisiones de prueba.
Su tarea era doble: seleccionar «eventos» de colisión interesantes de los primeros datos que indicarían si el detector estaba funcionando correctamente y desarrollar pantallas visuales de esos eventos, mostrando partículas y depósitos de energía del acelerador.
Pasaron semanas aprendiendo sobre el funcionamiento del propio Gran Colisionador de Hadrones y luego familiarizándose con las herramientas informáticas que usarían para acceder a los datos de prueba y escribir código para identificar candidatos a eventos de colisión.
“Recuerdo estar sentado en el departamento con Dawson un viernes por la noche a mediados de junio, escribiendo un código que no funcionaba del todo”, dijo Murphy. “Entonces, de repente, empezó a funcionar perfectamente. Fue increíble”.
“Me sentí muy afortunada”, dijo Haslund-Gourley. “Crecí siempre queriendo trabajar en el CERN, esta tierra mágica donde los físicos aprenden sobre las fuerzas y partículas que componen el universo”.
El 5 de julio, los estudiantes presenciaron las primeras colisiones utilizando el «haz estable» del colisionador, que alcanzó un nivel de energía sin precedentes de 13,6 TeV (tera electronvoltios). Vieron una transmisión en vivo de colisiones, escucharon música y esperaron para ejecutar su código.
“Una vez que comenzamos, fue una carrera contra el tiempo, con algunos de los mejores físicos del mundo revisando todo lo que hicimos”, dijo Gainey.
“Fue un tipo de presión emocionante”, dijo Thomas. “Necesitaban las pantallas de eventos lo antes posible”.
Una de sus primeras visualizaciones se utilizó casi de inmediato en una conferencia científica para la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías de 2022. De hecho, fue la primera diapositiva de la presentación.
“Eso fue increíblemente validador”, dijo Haslund-Gourley.
Un trabajo bien hecho
Según todos los informes, el trabajo del grupo fue exitoso.
“Nuestros estudiantes identificaron a los únicos candidatos disponibles públicamente para exhibiciones de eventos de ATLAS y se les agradeció y destacó regularmente en presentaciones de toda la colaboración”, dijo Demers.
Aparte de sus proyectos asignados, los estudiantes dijeron que disfrutaron estar inmersos en un ambiente científico intenso lejos de casa. Haslund-Gourley, por ejemplo, dijo que se sintió inspirada por la naturaleza internacional de las colaboraciones en el CERN; Thomas estaba feliz de haber tenido la oportunidad de conocer a algunos de los físicos que idolatraba de «Particle Fever», el documental de 2013 que lo inspiró a dedicarse a la física en primer lugar.
En sus horas libres, los estudiantes hicieron caminatas en las montañas del Jura, recorrieron pueblos rústicos en Francia y exploraron los lugares de interés de Viena, Budapest, Munich y Berna. También hubo amplias oportunidades para probar la cocina local.
“Se consumió mucho pan”, dijo Gainey.
En cuanto al futuro, Gainey dijo que continuará con su trabajo en el CERN mientras esté en Yale este año, convirtiéndolo en la base de su proyecto de último año. Thomas, mientras tanto, cree que ha encontrado una forma «fortuita» de aplicar métodos topológicos de aprendizaje automático a la física de partículas.
Haslund-Gourley, por su parte, se inspiró en las técnicas de ciencia de datos y aprendizaje automático utilizadas para procesar datos de colisión en el CERN y espera aplicar técnicas de análisis similares a datos neurológicos.
¿Y Murphy? Después de un verano en el CERN, dice que tiene el gusanillo de la investigación, a lo grande. “Nunca me sentí estresado”, dijo. “Todos pasamos el rato, hicimos nuestro trabajo y lo hicimos funcionar. Sé que continuaré trabajando en el CERN para mi tesis”.
