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EL GRAN COLISIONADOR DEL CERN Y LA PARTÍCULA DE LA CREACIÓN  

Isabel Pérez Arellano y Otros  

Revista Esfinge  

 

 

 

 

 
 

 

 
 

 

 
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La puesta en marcha del nuevo colisionador de hadrones LHC del Centro Europeo de Investigación Nuclear, en Ginebra, tiene como objeto alcanzar un nivel de energía próximo al Big-Bang a partir del cual comenzarían a colapsarse las partículas subatómicas y las fuerzas elementales de la naturaleza que rigen nuestro Universo. Supone alcanzar el sueño de Einstein, en el que la teoría de la relatividad fuera capaz de integrarse con la mecánica cuántica y la física newtoniana en una única teoría final. Además permitiría descubrir, de ser cierto, un campo que todavía no se ha observado por ser casi indistinguible del vacío, el llamado campo de Higgs, para explicar supuestos extremos en los que se generan más masa de la que en principio interviene. También igualmente constatar la viabilidad de otras teorías como la de las Cuerdas, de la que se derivan nuevas dimensiones o planos de la realidad, contando incluso con la posible creación de microagujeros negros. Algunas voces aisladas dentro de la comunidad científica advierten en este sentido del riesgo que supone experimentar con energías tan altas, pues se podría provocar la creación de un gran agujero negro que engullese nuestro mundo.

 

La puesta en marcha del nuevo colisionador de hadrones LHC del CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear), llevada a cabo el 10 de septiembre de 2008, ha despertado una gran expectación, si bien su inauguración se vio ensombrecida por la incursión de unos piratas informáticos, que colocaron un mensaje en los ordenadores para mostrar su vulnerabilidad. En esta instalación se van a buscar las más ínfimas partículas de que está hecha la materia, y se van a recrear los grandes fenómenos estelares que ocurren a miles de millones de kilómetros de aquí, como es la formación de agujeros negros, así que aunque sea experimentalmente se van a ver reunidas las hasta ahora antagónicas física cuántica y física cosmológica.

 

Tanto Stephen Hawking como Peter Higgs van a seguir con mucho interés el desarrollo de las investigaciones que aquí se lleven a cabo, puesto que, en función de los resultados, uno de ellos podría conseguir el premio Nobel… Eso si viven para verlo, como Higgs mismo ha dicho, puesto que poner el acelerador a punto y que se vayan viendo los primeros avances va a llevar algún tiempo y sus edades son ya algo avanzadas (66 y 79 años, respectivamente). Además, nueve días después de su inicio el LHC sufrió una fuga de helio que va a retrasar al menos dos meses el inicio de los experimentos.

LOS ORÍGENES DEL LHC

Todo comienza cuando el físico francés laureado con el premio Nobel, Louis de Broglie, propone en 1949 la creación de  un laboratorio científico en la Conferencia Europea de Cultura en Lausanne. La idea tiene repercusión especialmente en los foros de la UNESCO y, tres años después, el Consejo Europeo para la Investigación Nuclear, tras una reunión en Amsterdam, selecciona a Ginebra como el lugar más indicado para su instalación. Fundado en 1954, y financiado actualmente por 24 países europeos, el CERN se ha constituido como uno de los más grandes e importantes laboratorios científicos actuales. Más de 7000 científicos, provenientes de laboratorios y universidades de todo el mundo, se han consagrado a él en el estudio de los constituyentes de la materia y de la naturaleza de las fuerzas fundamentales.

Con la ratificación por los Estados Miembros en 1954 comienzan los primeros pasos que en 1957 dan lugar al primer acelerador de partículas Syncro-Cyclotron SC. Inicialmente pensado para alcanzar 600 MeV (mega-electrón-voltios) de energía, será superado dos años más tarde por el Sincro-Cyclotron de Protones SC de 28 GeV (giga-e-v). El objetivo es alcanzar los niveles de energía próximos al Big-Bang, estado de energía indiferencia a partir del cual comenzarían a colapsarse las partículas subatómicas y las fuerzas elementales de la naturaleza que rigen nuestro Universo.

Dicho de otra forma, se trata de alcanzar el sueño de Einstein, la Teoría del Campo Unificado, en el que la teoría de la relatividad fuera capaz de integrarse con la mecánica cuántica y la física newtoniana, los tres paradigmas actuales de la ciencia que dividen e impiden su integración en una teoría única. Ni que decir de la proliferación de partículas nuevas que, a niveles de energía tan altos, se han ido descubriendo durante estos años. Con el Gran Colisionador Electrón-Positrón LEP de 1981 o con el Super Syncrotón de Protones SPS de 1976 se han llegado a alcanzar niveles del orden de los 500 GeV.

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El LHC (Gran Colisionador de Hadrones) se ha construido aprovechando las instalaciones del LEP. La participación de USA, Japón o Canadá, entre otros países comunitarios y extraeuropeos, lo convierte en el proyecto más importante de la historia en materia de física de partículas. Tiene 27 km de perímetro, y se encuentra entre 50 y 175 metros bajo tierra, en la frontera entre Francia y Suiza, a las afueras de Ginebra. Para alcanzar su extraordinaria potencia los imanes de los que se compone el interior del túnel subterráneo tienen que estar a una temperatura de dos grados por encima del cero absoluto, o lo que es lo mismo, a -271º C bajo cero. Esta temperatura la consiguen mediante un sistema criogénico que utiliza helio líquido superfluido. El objetivo del LHC es acelerar dos haces de protones que circulen en direcciones contrarias en condiciones de vacío a energías de 7 TeV (trillones de electronvoltios) y luego provocar su colisión para observar las nuevas partículas que aparecen.

BOSONES, FERMIONES, LEPTONES, HADRONES LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES

Aunque para la mayoría de nosotros el átomo se reduce a protones, neutrones y electrones, en realidad los físicos han descubierto nuevas partículas subatómicas y la terminología se ha complicado notablemente. De entrada, las partículas elementales se dividen en aquellas con masa (Fermiones) y aquellas otras que no tienen masa sino que tan sólo transmiten fuerzas o, simplificando, simplemente fuerzas (Bosones).

Dentro de los bosones el más conocido por todos es el fotón, responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético que caracteriza a la luz, o el gluón, portador de la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a protones y neutrones sin que se repelan. También serían bosones los que caracterizan a las otras dos fuerzas elementales de la naturaleza, además de las mencionadas, como son la fuerza nuclear débil (bosones W y Z, en el caso de la radioactividad) y la de la gravedad (el todavía supuesto graviton).

Los fermiones se dividen a su vez en Leptones y Quarks. Hay seis tipos de leptones, entre ellos el electrón, y seis tipos de quarks, que de manera simbólica se consideran ‘sabores’. Se denominan en inglés up, down, charm, strange, top y bottom, y además se subdividen cada uno de ellos en función de su carga de ‘color’, en rojo, verde y azul, si bien dicha denominación es también metafórica. Los leptones aparecen aislados, mientras que los quarks se encuentran siempre unidos formando pares o tríadas.

Todo esto compone el llamado Modelo Estándar de Partículas. La mayoría de las partículas postuladas ya se han aislado, y el resto podrían descubrirse gracias a estas nuevas instalaciones del CERN.  Pero no sabemos si son los componentes últimos de la materia, o a escalas mucho más pequeñas habría otros elementos, como propone por ejemplo la teoría de las supercuerdas, que considera todas estas diversas partículas como expresiones y vibraciones de un único tipo de materia, la supercuerda.

A las partículas subatómicas compuestas por quarks y gluones (uno de los bosones), como son los protones, se les llama Hadrones. Así que en resumidas cuentas, al hablar de hadrones, el LHC está haciendo referencia a los protones. Las colisiones de interés son aquellas que se vayan a producir entre un quark o un gluón de cada uno de los protones que se encuentren.  Porque la energía típica producida en el LHC tras el choque de un quark con otro quark, de un quark con un gluón, o de dos gluones entre sí, entre 0,1-1 TeV, puede convertirse en la masa de nuevas partículas que se espera descubrir, como es el caso del famoso bosón de Higgs.

El Modelo estándar de partículas propone un campo que todavía no se ha observado por ser casi indistinguible del vacío, el llamado campo de Higgs, y una partícula con mucha masa (al contrario de lo que sucede con el resto de los bosones), el bosón de Higgs, necesaria para explicar las masas de todas las demás partículas que aparecen. Trata de explicar supuestos extremos en los que se genera más masa de la que en principio interviene, pues de lo contrario habría que suponer algo tan supuestamente contradictorio como es el hecho de que la materia pudiera surgir del vacío.  

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Y ahora mismo se da la circunstancia de que el nuevo detector del LHC será capaz de detectar esta partícula, si es que existe. De ahí la gran expectación. Un sólo resultado puede respaldar o hacer tambalear toda una teoría en la que los científicos han puesto sus esperanzas y su esfuerzo durante más de 40 años. Como curiosidad cabe decir que Stephen Hawking, en declaraciones a la BBC, apostó 70 euros a que no se va a encontrar la apodada partícula divina, o bosón de Higgs.

LO INFINITAMENTE GRANDE Y LO INFINITAMENTE PEQUEÑO

Muchos físicos han desarrollado paralelamente teorías de supersimetría que proponen que todas las partículas tienen (además de su antipartícula) una partícula que sería su “sombra”, o su simétrica. Aunque no se han descubierto todavía partículas simétricas, una de las postuladas, llamada neutralino, podría formar la materia oscura del universo y si se encuentra en el LHC apoyaría las teorías de cuerdas. Hasta ahora el acelerador más potente, alcanzando energías de 1 TeV, era el Fermilab en Chicago, donde se descubrió en 1995 el último quark que faltaba por encontrar, el llamado top. El LHC es siete veces más potente, por lo que podrá responder a nuevas incógnitas. El Modelo estándar de partículas es capaz de explicar, de momento, tres de las cuatro fuerzas que se han descrito en la naturaleza: la fuerza débil, la fuerte y la electromagnética, dejando fuera la fuerza de la gravedad.

Para explicar esta fuerza desde el punto de vista de la física cuántica se propone otro bosón llamado gravitón, una partícula mediadora de la atracción gravitatoria que, de existir, daría respaldo a una Teoría del Todo que unificaría la física cuántica y la relativista. Entre la física cuántica y la física relativista existen grandes incompatibilidades, porque en el mundo de lo extremadamente pequeño todo parece estar cuantizado, es decir, todo son partículas, mientras que en el mundo de lo grande, el espacio-tiempo parece ser tan sólo una dimensión continua, si bien elástica, y los efectos que provoca son puramente geométricos. Pero la suma de lo pequeño hace lo grande, y lo grande debe estar compuesto por lo pequeño, por tanto todo debe poder explicarse con las mismas leyes.

Hay un punto en que estas dos ciencias confluyen y es en el origen del universo, donde hubo grandes masas en volúmenes muy pequeños y a elevadísimas temperaturas. Es por ello que se esperan con ansiedad los resultados obtenidos al recrear condiciones semejantes a las que hubo en la primera milmillonésima de segundo a partir del Big Bang.

Otro de los descubrimientos que se puede llevar a cabo en el LHC es la observación de nuevas dimensiones o planos de la realidad, como proponen las teorías de cuerdas, lo cual podría permitir la creación de microagujeros negros. Los agujeros negros son regiones del espacio en donde hay tal cantidad de masa concentrada que se genera un campo gravitatorio tan grande que ni la luz puede escapar de él. Sin embargo, si la radiación de Hawking se confirma (la cual predice que en el borde de un agujero negro se va emitiendo algo de radiación, y por tanto va disminuyendo la masa) entonces los microagujeros negros se evaporarían inmediatamente, resultando totalmente inocuos.

Algunas voces aisladas dentro de la comunidad científica piensan que entraña un cierto peligro manejar esas altas energías en ese tipo de experimentos, pues se podría provocar la creación de un gran agujero negro que supusiera el final de nuestro mundo. Sin embargo, tales conjeturas no son compartidas por los físicos más eruditos. Aun así, lector, ya sabes, si un día te levantas por la mañana y al abrir los ojos no ves nada, o ha habido un corte de luz o has sido engullido por un agujero negro…

IMAGENES

01: Simulación por ordenador del choque de partículas elementales. | 02: El LHC tiene 27 kms de perímetro, y se encuentra entre 50 y 175 metros bajo tierra, en la frontera entre Francia y Suiza, a las afueras de Ginebra.  | 03: Entrada al Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN). | 04: Pasillos del LHC del CERN. | 05: Vista transversal del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

 

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