Un gran angular para el mundo subatómico ✛
En Jefferson Lab, los electrones se aceleran hasta 12 GeV y chocan contra protones para arrancarles sus secretos. Pero los detectores actuales se parecen a cámaras con un campo de visión estrecho: o ves mucho pero borroso, o ves nítido pero solo un pedacito. La dispersión de electrones es la herramienta principal, pero la estadística no alcanza para efectos sutiles.
El nuevo espectrómetro SoLID (Solenoidal Large Intensity Device) cambia las reglas del juego. Es un gran angular para el mundo subatómico: una gran aceptancia, es decir, la fracción de partículas que captura el detector, se combina con una luminosidad de hasta $10^{39}$ cm^-2 $s^{-1}$, una medida de la intensidad de las colisiones. Para comparar, la luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones en su puesta en marcha era cinco órdenes de magnitud menor. SoLID recogerá electrones dispersados y partículas producidas en un amplio rango de ángulos sin perder nitidez.
Las tres tareas principales de SoLID son tres lentes distintas en un mismo cuerpo. La primera es la tomografía tridimensional del nucleón mediante dispersión profundamente inelástica semi-inclusiva: al medir no solo el electrón dispersado sino también el hadrón emitido, los físicos reconstruyen la distribución de momentos de quarks y gluones. La segunda es la producción del mesón J/ψ cerca del umbral: un proceso raro que da acceso a los factores de forma gravitacionales del gluón, características de la distribución de masa y presión dentro del protón. La tercera es la violación de paridad en la dispersión profundamente inelástica: la diferencia en la dispersión de electrones zurdos y diestros, sensible a las interacciones débiles y a una posible nueva física.
Antes de SoLID, los experimentadores se enfrentaban a una disyuntiva: o gran aceptancia o alta luminosidad. CLAS12 y GlueX capturan muchas partículas, pero operan con una luminosidad moderada de alrededor de $10^{35}$ cm^-2 $s^{-1}$. Los espectrómetros magnéticos HRS, SBS, HMS y SHMS ofrecen alta resolución, pero su aceptancia es pequeña. SoLID combina por primera vez ambas cualidades, abriendo el camino a mediciones que antes eran imposibles por falta de estadística. Esto permitirá reducir drásticamente las incertidumbres en las funciones de distribución de quarks y gluones, y también poner a prueba el Modelo Estándar a bajas energías, donde podrían esconderse rastros de nuevas interacciones.
El gran angular de SoLID está apuntado al corazón mismo de la materia. En unos años empezará a recoger la luz de los eventos subatómicos, y entonces el protón dejará de ser una mancha borrosa: veremos su mecánica interna con una claridad sin precedentes.
La luminosidad de SoLID en el experimento PVDIS alcanzará $10^{39}$ cm^-2 $s^{-1}$, lo que equivale aproximadamente a que cada segundo pasen $10^{39}$ partículas por centímetro cuadrado de blanco. Para comparar, la luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones en su puesta en marcha era de unos $10^{34}$ cm^-2 $s^{-1}$, es decir, cinco órdenes de magnitud menor.