jueves, 3 de julio de 2008

El LHC: Algo más que "La Máquina del Fin Del Mundo".

EL BIG BANG es la meta, la base es la famosa ecuación de Einstein (E=mc2) que todos conocemos pero pocos pueden intuir, en su simplicidad, la enorme implicación que tiene sobre el Universo conocido.

Esta ecuación, que es la base de las investigaciones en el LHC del CERN, nos dice que la materia es una concentración extraordinaria de energía, pero ¿Cómo se forma esa materia?.
Sabemos que existen partículas y estas partículas se mueven y reaccionan de acuerdo a lo que los científicos llaman "El Modelo Estándar", que incluye a la gravedad, pero a pesar de esto, la gravedad está de momento fuera de estudio. Lo que interesa ahora en el LHC es saber cómo se genera la materia,´¿Cómo es que las pocas partículas existentes puede ser la base de todo lo que conocemos, desde lo más simple hasta lo más complejo?.
Toda la materia del Universo está formada de los mismos elementos básicos, y esto involucra directamente a lo que se conoce como vacío. ¿El vacío es realmente vacío?. Según palabras de Álvaro de Rújula, Físico Teórico español, el vacío ha demostrado tener carga, pues si se toma un tramo de vacío y se acerca a otro tramo de vacío, éstos se repelen, respetando las leyes básicas de las cargas; entonces hay algo más que vacío en el vacío. Esto hace suponer que hay una partícula que no han podido ver y que es responsable de la concentración de la energía en materia, y según se cree este proceso consiste en que esa energía roce el vacío, que es lo que simulan en el acelerador LHC. A cada vuelta acelerará más las partículas hasta llegar a cierta velocidad para lograr el impacto requerido en el choque dentro del colisionador. Este choque, aunado a la energía y al vacío circundante deberá crear partículas que se analizarán con 4 de los 6 experimentos que forman el complejo. Esa esquiva partícula que buscan tan afanosamente se llama "El Bosón de Higgs", y de existir, sería la responsable de convertir la energía en materia.
De la misma forma, como esta partícula es supuesta como la generadora de la cohesión de toda materia, y por ende de todo lo que conocemos como realidad, también se la ha dado en llamar "La Partícula de Dios", cosa que no agrada mucho a su descubridor, Peter Higgs.

Esto es, a grandes rasgos, lo que está a punto de suceder a finales de este mes o principios de Agosto cuando se ponga en marcha el acelerador.

Primer magneto del acelerador LHC instalado, pero sin conectar, en el Km 27 (Cortesía del CERN)

Desde principios del 2007 se ha hablado de las posibles repercusiones que la activación de El Gran Colisionador de Hadrones puede tener sobre nuestro mundo y el Universo. Y esto tal vez sea gracias a una muy prolífica imaginación producto de la ciencia ficción y un gran desconocimiento de la ciencia y del funcionamiento de un acelerador de partículas, que como veremos, no será la primera vez que se ha experimentado con choques de partículas.


E. O. Lawrence fue el inventor del primer ciclotrón clásico. En la ilustración aparece junto al sincrociclotrón o "ciclotrón de frecuencia modulada" de 184 pulgadas, en actual funcionamiento.

La historia del CERN se remonta a 1957, año en que se crea el primer SINCROCICLOTRON. Dos años después se construye el PROTÓN-SINCROTRÓN, y a lo largo de su historia ha visto su potencia multiplicada por mil gracias a los requerimientos científicos necesarios para llegar más allá en el conocimiento de las partículas fundamentales del Universo, y cuyo clímax fue alcanzado en 1971 cuando se realiza el primer choque de protones.


Toma aérea de la región de Ginebra donde se muestra la ubicación del túnel del LHC (Cortesía del CERN).


El Gran Colisionador de Hadrones, es el resultado de la evolución del acelerador de partículas, y está formado por 3 anillos aceleradores de los cuales el mayor fue concebido en 1980 con la finalidad de incrementar la energía con la que las partículas subatómicas podrán ser aceleradas y puestas en curso de colisión para estudiar sus efectos, así como las sub-partículas que se generarán en tal impacto. A mayor energía, mayor es la fuerza con la que las partículas pueden chocar y mayor es el paso que se puede dar hacia atrás en la historia del Cosmos. Cuenta también con elementos donde se harán propiamente los experimentos previstos. ATLAS y CMS cruzarán nuevas fronteras en el microcosmos, LHCb nos dirá como fue la lucha entre la materia y la antimateria tras el Big Bang; ALICE, observará la densa sopa de partículas que dio forma al Cosmos. Sin embargo, su construcción ha terminado con un pequeño tropiezo al probarlo el 27 de marzo del 2007. Y esto tal vez sea lo que ha puesto en el ojo del huracán las posibles repercusiones de este experimento.

El problema se debió a un error en los elementos fijadores de 3 de los 24 elementos magnéticos que forman el complejo de 27 km del acelerador. La responsabilidad cayó sobre el
FERMILAB, proveedor Norteamericano de los grandes electroimanes del acelerador. Al parecer un error de cálculo hizo que el sistema de sujeción quedara corto para soportar las fuerzas creadas por los poderosos electroimanes al entrar en funcionamiento. Lo que en realidad sucedió fue que el sistema de fijación no soportó las fuerzas emanantes de los electroimanes y éstos se salieron de su sitio dando lugar a una fuga de gas helio que inundó el complejo, provocando una explosión que lo dejó fuera de operación por casi un año. A diferencia de lo que se pueda pensar, no fue una explosión cuántica, ni tenemos científicos viajando perdidos en el limbo, no, fue una simple explosión terrestre causada por un mundano error de cálculo que sucedió en la parte mecánica del sistema, y no dentro de lo que se podría llamar propiamente “El Experimento”. Es como si el horno hubiera explotado antes de colocar la masa para el pastel, así que este incidente queda catalogado como un simple y común accidente industrial. Conclusión: Las fuerzas de los potentes electroimanes vencieron los elementos de fijación.

Pero, ¿Cómo funciona un acelerador de partículas? El físico Álvaro de Rújula, Teórico español, nos lo explica de una manera simple y entendible en una
entrevista hecha por Ángela Posada-Swafford para Muy Interesante:

Este acelerador son en realidad dos aceleradores. Uno que acelera partículas en una dirección y el otro que las acelera en la contraria. Solamente que están metidos en el mismo tubo, y emplean los mismos imanes. Y por eso se habla de un acelerador pero en realidad son dos. Es un colisionador. Lo que hace es producir partículas de muy alta energía, que se llaman protones, y hacerlas chocar de frente una contra la otra. Es más favorable hacerlas chocas en direcciones contrarias porque así la energía está más útilmente empleada. Es como cuando uno hace colisionar dos coches en direcciones opuestas en una autopista o en la misma dirección. El choque de frente es más brutal y penetra más adentro, por así decirlo, en los objetos que queremos estudiar, que son las partículas que colisionan y también las partículas que producen. Porque debido fundamentalmente a la conocida fórmula E=mc2 (energía es equivalente a la masa por la velocidad cuadrada de la luz) uno puede convertir la energía del movimiento de partículas en la masa de nuevas partículas. Por eso cada vez que tenemos un acelerador que tiene más energía exploramos la existencia de partículas que tienen más masa. Partículas que no existen en el universo hoy en día porque típicamente tienen una vida muy breve. Tienen una vida de fracciones de segundo. De manera que si alguna vez las hubo, ya no las hay. Si queremos saber que existen las tenemos que fabricar. Y este colisionador de partículas, estos dos aceleradores opuestos lo que hacen es eso: intentar crear partículas suya existencia sospechamos pero que nunca hemos visto. Es un poco como adentrarse en una selva desconocida a buscar lo que allí hay. Entramos en un terreno desconocido. No sabemos lo que hallaremos. Por eso es investigación. Investigación es lo que uno hace cuando no sabe la respuesta. Eso es exactamente lo que intentamos hacer.

De la misma manera, el físico De Rújula nos explica cómo se aceleran las partículas:

Una de las propiedades fundamentales de las partículas, llamadas Elementales, es la carga eléctrica, y dos partículas que tienen la misma carga se repelen, dos partículas que tienen cargas de signo opuesto se atraen. Un acelerador funciona de la manera siguiente: Supongamos que tenemos una partícula con carga negativa y un poco más lejos hay una placa que tiene una carga positiva, entonces la partícula es atraída hacia esa placa. Cuando pasa a través de esa placa el acelerador cambia la polaridad y convierte esta placa en negativa de manera que ahora repulsa la partícula en lugar de atraerla, de manera que cada vez que pasa, primero tira hacia donde llega y luego le pega un empujoncito; y cada vez que pasa por uno de estos elementos, recibe un pequeño… “clack” que lo hace ir más y más de prisa. (Catedrales de la Ciencia: 50 Años Del CERN).

Con la colisión de partículas, como lo menciona el Dr. De Rújula, podemos estudiar partículas que pudieron haber estado durante lo que se supone sucedió posterior al llamado "Big-Bang”, el origen del Universo. Pero no sólo eso, sino que va más allá.

El verdadero Objetivo Del Gran Colisionador De Hadrones

Como se había dicho entes, el experimento está sustentado en la famosa ecuación de Albert Einsten, que todos conocemos pero pocos intuyen su real implicación. E=mc2 nos dice que la masa no es otra cosa que una forma extraordinariamente concentrada de energía. Esa energía es la que el acelerador de partículas proporcionará y el choque será el vehículo catalizador para, a partir de esa energía, producir partículas para su estudio. Pero sólo una partícula es la que parece tener el interés de la comunidad científica, y es la llamada Partícula Higgs. Aunque esta partícula no se ha podido ver en los aceleradores hasta ahora, es generalmente aceptada como ingrediente importante en el modelo estándar de la física de partículas. Peter Higgs concibió el mecanismo de esta partícula en 1964. Este es uno de los mecanismos posibles para producir la ruptura espontánea de la simetría electrodébil sin destruir la invarianza gauge de la teoría.

Hasta 2007 el bosón de Higgs no ha sido observado experimentalmente, a pesar de los grandes esfuerzos de investigación en los experimentos de los aceleradores de partículas como el CERN o el Fermilab. La no observación de pruebas claras permite estimar un valor mínimo experimental de masa 114.4 GeV para el bosón de Higgs del modelo estándar, con un nivel de confianza del 95%. Un pequeño número de eventos no concluyentes han sido registrados experimentalmente en el colisionador LEP en el CERN. Éstos han podido ser interpretados como resultados de los bosones de Higgs, pero la evidencia es inconclusa. El Gran Colisionador de Hadrones, actualmente bajo construcción en el CERN, se espera que sea capaz de confirmar o desmentir la existencia de este bosón.


Peter Higgs

El estudio más preciso de las medidas permite concluir que el bosón masivo de Higgs del modelo estándar tiene una magnitud mayor de 144 GeV con un 95% de nivel de confianza, así se afirma desde marzo de 2007 (incorporando una medida actualizada de las masas del quark arriba y del bosón W). La búsqueda del bosón de Higgs es también el objetivo de ciertos experimentos del Tevatrón en el Fermilab.

¿Cómo es el interior de la naturaleza?

Los electrones forman una nube alrededor del núcleo del átomo, y el núcleo está compuesto de neutrones y protones, compuestos de 3 quarks cada uno. Otras partículas colaboran para que la naturaleza siga su curso. Los neutrinos llegan desde el Sol, sin apenas masa que nos atraviesan constantemente sin que lo percibamos. Mientras, en el interior de esa estrella, núcleos de hidrógeno se combinan en una reacción continua que produce energía y convierte a nuestro planeta en un lugar apto para la vida.
El verdadero gran misterio de la naturaleza es porqué a nivel fundamental es tan sencilla. Y con tan pocos ingredientes se pueden construir cosas tan complicadas como una persona y otra persona distinta.

A partir de la idea teórica del quark en los años 60, se desarrolló lo que los físicos conocen como “Modelo Estándar de las Partículas y las Fuerzas”. Una elegante y sencilla forma de explicar la materia y sus interacciones. Todo lo que existe se puede formar con electrones, neutrinos y quarks. Pero se necesitan otras partículas que transporten las fuerzas que las hacen interaccionar. Las cuatro fuerzas que articulan el Universo a todas sus escalas son:

El Electromagnetismo: Permite las reacciones químicas y por lo tanto la vida misma. Mantiene unidos a los electrones de carga negativa con el núcleo positivo de los átomos. Es transmitido por el fotón.

La Fuerza Nuclear Fuerte: La más poderosa de todas, la que provoca que sea tan difícil romper el núcleo atómico. Mantiene unidos a los neutrones y a los protones en el núcleo y también confina a los quarks dentro de éstos. Su agente es el Gluón.

La Fuerza Nuclear Débil: Responsable de la desintegración radiactiva, es transportada por los Bosones W y Z.

La Gravedad: la fuerza que atrae a las masas, rige el movimiento de las galaxias y los planetas y permite que permanezcamos pegados al suelo en cualquier parte de la Tierra. Su partícula sería el Gravitón. Pero debido a que ésta es una fuerza que no se ha logrado entender del todo, queda fuera del modelo estándar.

El modelo estándar es la base de nuestra comprensión presente de todas las partículas elementales y de todas las fuerzas con la excepción de la gravedad. La gravedad que es la más antigua de las fuerzas conocidas es la que menos entendemos. Pero todas las otras las entendemos muy bien y están explicadas por un conjunto de ecuaciones o ingredientes que llamamos modelo estándar. Este modelo tiene el inconveniente de que funciona demasiado bien, hace por lo menos 30 años que está establecido, y nadie ha encontrado todavía que tenga un pequeño defecto. Por lo tanto seguimos tratando de avanzar más allá del modelo estándar porque tampoco es completamente satisfactorio.

El misterio que nos hace tener este tipo de incógnitas es lo que ha hecho concebir este gran acelerador de partículas. Lo que nos lleva al corazón del proyecto. Como hemos visto las partículas fundamentales están unidas entre si con las fuerzas antes mencionadas que forman parte del “Modelo Estándar”, pero ¿Qué es lo que las hace permanecer unidas? Se sabe que las partículas se mueven en el vacío, siendo ésta otra de las grandes incógnitas de los físicos. Si dentro de un área confinada, extraemos todas y cada una de las partículas, teóricamente no tendríamos nada dentro de ese espacio llamado vacío.

Lo que queda tiene una entidad positiva y la capacidad de hacer algo. Un pedazo de vacío puede repeler a otro pedazo de vacío. Este extraño fenómeno se llama “La Constante Cosmológica” y es algo que inventó Albert Einsten y que luego pensó que había sido un error, pero que hoy en día se piensa que fue una de sus intuiciones más geniales. Y esta es que el vacío, a pesar de estar vacío podría tener una incidencia en la realidad y no estar realmente vacío, sino estar lleno de algo que es una energía, una densidad del vacío. Si el vacío no está vacío, puede hacer cosas, por ejemplo, puede sostener ondas y moverse. Las ondas del vacío son partículas, y esas partículas que son las ondas del vacío son las partículas de Higgs, estas que estamos buscando tan desesperadamente.

Por lo tanto, la materia se forma por el rozamiento con el vació, y esto es de lo que precisamente se harán cargo los detectores ATLAS y CMS del LHC del CERN. En el proceso se podrán hacer visibles componentes que de otra forma sólo quedan en un marco teórico sobre papel o un pizarrón, como por ejemplo los componentes de la misteriosa Materia oscura, nuevas dimensiones compactas en espacios infinitesimales, partículas súper simétricas tremendamente masivas, o agujeros negros diminutos que se desintegran en fracciones de segundo.


Los detectores
Esquema del Detector ATLAS. (Cortesía del CERN).

El ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), con una forma de un edificio de 6 pisos será el encargado de poner en evidencia las colisiones de las partículas con energía muy elevada. De ahí su gran tamaño. Del ATLAS se espera que investigue los nuevos tipos de partículas que puedan ser detectados en las colisiones de alta energía del LHC. Algunas de ellas supondrán la confirmación o no del Modelo Estándar, mientras que otras pueden dar lugar a nuevas teorías. Una de las más importantes tareas del ATLAS es detectar la última pieza del puzzle llamado Modelo Estándar: el bosón de Higgs. El mecanismo de Higgs, en el cual interviene dicho bosón, es el que le da la masa a las partículas elementales, diferenciando la fuerza débil y la interacción electromagnética. Dicho mecanismo explica satisfactoriamente la masa de los bosones W y Z y la masa nula en reposo de los fotones. Si no se descubre el bosón de Higgs, se espera que otro mecanismo de rotura de la simetría electrodébil pueda ser deducido, como el Tecnicolor. Sin ese mecanismo, el Modelo Estándar es matemáticamente inconsistente a los niveles de energía que alcanzará LHC. El bosón de Higgs puede que se detecte a partir de las partículas que se desintegren en él. Las interacciones más plausibles son las que involucran dos fotones, dos quarks fondo o cuatro leptones. En ocasiones, ésas desintegraciones sólo pueden ser detectadas inequívocamente si van asociadas a partículas adicionales, algo similar a la detección de agujeros negros.


Esquema del Solenoide CMS (Cortesía del CERN).

El CMS (Compact Muon Solenoid) Su objetivo será identificar la esquiva partícula del Bosón de Higgs, que es conocida como la "partícula divina" por su importancia para la física. Según los científicos, el Bosón de Higgs es la esencia de la materia y explica por qué todas las otras partículas tienen masa. Es un detector de propósito general, capaz de estudiar múltiples aspectos de las colisiones de protones a 14 TeV, la energía media del LHC. Contiene sistemas para medir la energía y la cantidad de movimiento de fotones, electrones, muones y otras partículas producto de las colisiones. La capa detectora más interna es un rastreador de sílice semiconductora. A su alrededor, un calorímetro electromagnético de cristales escintiladores (centelleadores), rodeado de un calorímetro de muestreo para hadrones. El rastreador y el calorímetro son lo suficientemente compactos como para entrar dentro del imán solenoidal del CMS, que genera un campo magnético de 4 Teslas. En el exterior del imán se sitúan grandes detectores de muones.
Esquema del detector LCHb y sus estructuras asociadas. (Cortesía del CERN).

EL LHCb: (Large Hadron Collider beauty) Las colisiones de protones en la zona de interacción producirán parejas de quarks b anti-b, que posteriormente formarán partículas mediante el proceso conocido como hadronización. Los dos hadrones de tipo B que se produzcan se hallarán contenidos predominantemente en un estrecho cono cercano al haz de protones original. Este hecho es el que determina la geometría del detector LHCb, que se puede describir como un espectrómetro de un único brazo, formado por subdetectores planos perpendiculares al haz incidente, muy diferente en este aspecto de otros experimentos con forma cilíndrica como ATLAS o CMS, también del LHC. Las partículas con contenido de quarks b se producen en ambos sentidos, de forma simétrica respecto del punto de colisión, pero debido al diseño del detector sólo la mitad de ellas son detectables.
El detector LHCb tiene una cobertura angular entre 10 y 300 miliradianes (mrad), en la dirección horizontal, y de 250 mrad en el plano vertical. Esta asimetría es debida al gran imán bipolar presente en el detector,que tiene su componente principal en la dirección vertical.
El detector de vértices (conocido en LHCb como VELO del inglés vertex locator) está situado alrededor de la zona de interacción de protones. Se emplea para determinar la trayectoria de las partículas cerca del punto de interacción, con el objetivo fundamental de separar los vértices primarios (punto donde se generan los mesones B) y el secundario, donde se desintegran. La distancia de vuelo de estas partículas es de unos 8mm, por lo que este detector debe tener una gran resolución espacial. Está formado por sensores, cada uno de ellos compuesto de detectores de Silicio y dispuestos en forma de finas tiras, que miden las coordenadas polares (de simetría cilíndrica) r y phi.
Después del detector de vértices encontramos el subdetector RICH-1 ("Ring Imaging Cherenkov detector"). Se emplean estos detectores en LHCb, con el objetivo de identificar las partículas que lo atraviesan. En el caso del primero de éstos, está optimizado para la separación de trazas de bajo momento.
El sistema principal de trazas se encuentra posicionado a ambos lados del imán bipolar. Sus usos son la reconstrucción de las trazas correspondientes a partículas cargadas, así como la medida de su momento.
Siguiendo al sistema de trazas se encuentra el segundo de los detectores RICH. En este caso está optimizado para la identificación de partículas que correspondan a trazas de alto momento.
A continuación se encuentra el sistema de calorímetros, subdetectores cuya misión es la medida de la energía de las partículas. Para ello, frenan totalmente la mayoría de las partículas, detectándose la energía depositada. Se especializan en fotones o electrones (calorímetro electromagnético) y hadrones (calorímetro hadrónico). Están formados por capas consecutivas de material centelleador y material radiante (plomo e hierro). Estas medidas, además de usarse para reconstruir cada suceso, son empleadas en el primer nivel de trigger del experimento.
El subdetector más externo está formado por cinco cámaras de trazas (Contadores proporcionales multihilo o MWPC), siendo su misión la de detectar las partículas que atraviesen el sistema de calorímetros, que serán principalmente muones. Se utiliza nuevamente en la reconstrucción de los sucesos y también es especialmente importante para los mecanismos de trigger.


El Experimento ALICE (Cortesía Del CERN).

EL EXPERIMENTO ALICE (A Large Ion Collider Experiment), llevado a cabo en el gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN explorará el estado primordial de la materia que existió en los primeros instantes del Universo. Durante el siglo XX, se ha acumulado una fuerte evidencia en el sentido que el Universo con todo su contenido se originó en un Gran Estallido original. Mientras el Universo se expandía y enfriaba, surgieron las partículas que construían materia ordinaria, y formaron las estructuras que observamos en el Universo actual, desde los átomos hasta las galaxias.
Durante los primeros instantes inmediatamente después del Gran Estallido, la materia primordial del Universo pasó a través de un estado conocido como plasma quark-gluón o QGP, una mezcla muy densa y caliente de partículas llamadas quarks y gluones. Después, cuando el Universo tenía sólo 10 microsegundos de edad, este QGP se descongeló para formar los protones y neutrones que ahora encontramos en el interior de los núcleos atómicos. Hoy en día, los quarks y gluones permanecen encerrados dentro de los protones y neutrones. Sin embargo, materia similar al QGP puede aún existir en el corazón de las estrellas de neutrones, donde la densidad es tan elevada que una pieza del tamaño de la cabeza de un alfiler contiene tanta materia como la Gran Pirámide de Egipto.
Los científicos que trabajan en el experimento ALICE usarán el acelerador de partículas de energía más alta del CERN, el LHC, para crear QGP en el laboratorio en colisiones de núcleos pesados. Estos choques comprimirán y calentarán los protones y neutrones en el núcleo para intentar derretirlos de regreso a la forma QGP. Mientras más grande sea el núcleo que colisione y más alta la energía, será mayor la posibilidad de crear QGP. Es por eso que los investigadores de ALICE han seleccionado al elemento plomo, que es uno de los núcleos más grandes disponibles con 208 protones y neutrones. El programa físico de ALICE incluye también el estudio de núcleos más ligeros a través de colisiones protón-protón y protón-núcleo.


Vista del detector TOTEM. (Cortesía del CERN)

TOTEM: TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement (Medición de sección cruzada total elástica y difractiva). El experimento TOTEM estudia las partículas de ángulos muy pequeños, una parte de la física inaccesible a los experimentos polivalentes. Entre otras investigaciones TOTEM medirá, por ejemplo, las dimensiones de los protones y evaluará con precisión la luminosidad del LHC. Para ello, TOTEM debe poder detectar las partículas producidas lo más cerca posible del LHC. El experimento comprenderá detectores protegidos en cámaras de vacío especialmente diseñadas; esos detectores, denominados “ánforas romanas”, están conectados a los tubos del haz del LHC. Se situarán ocho ánforas romanas por parejas en cuatro emplazamientos cercanos al punto de colisión del experimento CMS. Aunque ambos experimentos son independientes, TOTEM complementará los resultados obtenidos por el detector CMS así como por los otros experimentos del LHC.

Detector Arm # 1 Instalado en el Túnel del LHC. (Cortesía del Cern).


LHCf: (Large Hadron Collider forward). El experimento LHCf utiliza las partículas de ángulo pequeño creadas en el interior del LHC para simular rayos cósmicos en condiciones de laboratorio. Los rayos cósmicos son partículas cargadas procedentes del espacio interestelar y que bombardean constantemente la atmósfera terrestre. Cuando alcanzan la alta atmósfera, esas partículas energéticas chocan contra núcleos de átomos, lo que produce una cascada de partículas en el suelo. Las colisiones en el LHC producen cascadas similares, que podrán ayudar a los físicos a contrastar los detectores de los gigantescos experimentos sobre los rayos cósmicos (algunos pueden cubrir miles de kilómetros) así como a interpretar sus resultados.

Se está apunto de repetir un hito alcanzado en 1983, cuando fueron descubiertos los bosones W y Z, responsables de la fuerza nuclear débil. El bosón de Higgs es la nueva meta, y en caso de poder localizarlo sabríamos ya lo que se intuye, que es la partícula responsable de la cohesión de la materia, el catalizador por medio del cual existe lo que llamamos realidad y al mismo tiempo la herramienta encargada de formar las partículas fundamentales del Universo. Sin embargo, no sería llegar al misterio último de la materia, pues la materia en si es el misterio fundamental de la física. El misterio más allá del bosón de Higgs es que toda partícula tiene una antipartícula, y estas al ponerse en contacto se aniquilan una a otra, cosa que sucedió en el llamado Big Bang, sin embargo algo pasó en esa batalla de partículas que creó un desequilibrio dejando a la materia en constante producción y la antimateria pereció. El LHCb será el detector encargado de entender porqué la materia sobrevivió a esa batalla. Lo que se supone es que al momento de crearse el BIG BANG se creó un pequeño excedente de materia, y esto hizo que la antimateria se aniquilara dejando ese pequeño excedente, que es el causante de la creación de todo lo que se conoce. Por su parte, la antimateria no es producto de la ciencia ficción. Hoy se cuenta con artefactos que utilizan positrones, que no es otra cosa que antimateria con la que podemos ver el interior de nuestro cuerpo sin ser dañinos, estos son los SCANNERS llamados TAC, y que son de gran ayuda en el campo médico. Una prueba de que estas energías pueden ser domesticadas para nuestro beneficio, dejando de lado las teorías catastróficas de los legos con respecto a estos experimentos que son más sencillos de lo que se supone, o menos peligrosos de lo que la ciencia ficción nos ha hecho concebir. Pero ¿Qué tan peligroso puede ser que los cálculos no sean los esperados?

Peligros de la Física experimental

16 de julio de 1945, Desierto de Alamogordo, Nuevo México, "Proyecto Manhattan”. Artefacto: Trinity. Primer prueba exitosa de ejército norteamericano resultado de 3 años de investigación y puesta en práctica de la teoría física para la creación de un arma de destrucción masiva cuyo producto detonante fue el plutonio. Tuvo un tropiezo a la mitad de su inminente éxito debido a la duda, por parte de Edward Teller y de un grupo de científicos, de que al detonar tal artefacto podría acabar con el planeta al incendiar en su totalidad la atmósfera terrestre al desencadenar la fusión del nitrógeno. Poco después el Físico teórico Hans Bethe demuestra la imposibilidad de este riesgo y crea un informe que se desclasificó hasta 1973. Sin embargo, una duda razonable era lo único que hacía falta y el tiempo apremiaba. Si Teller hubiera tenido razón, nunca lo hubiéramos sabido.

¿Estamos ante el mismo caso?

Según lo que recorre el mundo de la Internet, el 14 de Agosto podría ser el día del fin del mundo y esto sólo porque se dice que será la fecha en que El Gran Colisionador de Hadrones será puesto en marcha para dar inicio a los experimentos que llevarán al hombre a conocer lo que sucedió pocos microsegundos después del llamado BIG-BANG. Sin embargo, esta fecha no tiene confirmación oficial, pues lo medios especializados solo dan a entender que puede ser entre finales del mes de julio y principios del mes de agosto cuando se encienda. Pero exploremos las posibilidades que un fallo en esta serie de experimentos pueden tener sobre la vida en el planeta o hasta en el Universo.

La mayor preocupación es la creación de agujeros negros, generación de materia exótica que pueda mutar la materia aledaña de la atmósfera y la generación de peligrosos monopolos magnéticos. Esto y otros puntos son la base de la demanda presentada por el norteamericano Walter Wagner y el español Luis Sancho ante un tribunal de Honolulu en Hawai el 21 de Marzo de 2008 en contra del CERN. Ante esta argumentación el CERN responde con un comunicado donde en pocas palabras contesta al reclamo de que si será el fin del mundo con un rotundo NO:

La seguridad del LHC

El Gran Colisionador de Hadrones puede alcanzar una energía que ningún otro acelerador de partículas ha alcanzado antes, pero la naturaleza produce a diario energías mayores en colisiones de rayos cósmicos. Las dudas acerca de la seguridad de lo que se puede crear en las colisiones de partículas a alta energía han sido tenidas en cuenta durante muchos años. A la luz de nuevos datos experimentales y del conocimiento teórico el grupo de consulta sobre seguridad del LHC (LSAG) ha actualizado el estudio del análisis hecho en 2003 por el grupo de seguridad del LHC, compuesto por científicos independientes.

El grupo LSAG reafirma y extiende las conclusiones del estudio de 2003 afirmando que las colisiones del LHC no representan peligro alguno y que no hay razones para preocuparse. Todo lo que el LHC pueda hacer lo ha hecho ya la naturaleza muchas veces a lo largo de la vida media de la Tierra y de otros cuerpos celestes. El estudio preparado por el grupo LSAG ha sido revisado y aprobado por el comité de política científica del CERN, grupo de científicos externos que aconseja al órgano de gobierno del CERN, el Consejo del CERN.

A continuación se resumen los argumentos principales que se exponen en el estudio realizado por el grupo LSAG. Para más detalles este informe se puede consultar directamente así como los artículos científicos a los que se refiere.

Rayos cósmicos

El LHC, como otros aceleradores de partículas, recrea el fenómeno natural de los rayos cósmicos en condiciones de laboratorio controladas, lo que permite ser estudiados en más detalle. Los rayos cósmicos son partículas producidas en el espacio sideral, siendo la energía de algunas de ellas mucho mayores que las que se producirán en el LHC. La energía y la frecuencia a la que llegan a la atmósfera de la Tierra se han medido en experimentos durante más de 70 años. Durante miles de millones de años la naturaleza ha generado sobre la Tierra tantas colisiones como un millón de experimentos equivalentes al LHC, y el planeta Tierra todavía existe. Los astrónomos observan un gran número de cuerpos celestes en todo el universo, que están siendo atravesados constantemente por rayos cósmicos. El universo entero produce más de 10 millones de millones de experimentos como el LHC por segundo. La posibilidad de consecuencias peligrosas contradice lo que los astrónomos observan, las estrellas y las galaxias todavía existen.

Agujeros negros microscópicos

La naturaleza forma agujeros negros cuando algunas estrellas, mucho mayores que el sol, colapsan sobre sí mismas al final de su vida. Concentran una gran cantidad de materia en un espacio muy pequeño. Las especulaciones sobre los agujeros negros microscópicos en el LHC se refieren a partículas producidas en las colisiones de pares de protones, cada uno de los cuales tiene una energía comparable a la de un mosquito volando. Los agujeros negros astronómicos son objetos mucho más pesados que cualquier cosa que se pudiera producir en el LHC.

De acuerdo con las bien conocidas propiedades de la gravedad, descritas por la teoría de la relatividad de Einstein es imposible que agujeros negros microscópicos se puedan producir en el LHC. Existen, sin embargo, algunas teorías especulativas que predicen la producción de dichas partículas en el LHC. Estas teorías predicen que tales partículas se desintegrarían inmediatamente. Por lo tanto los agujeros negros no tendrían tiempo de absorber materia suficiente como para causar efectos macroscópicos.

A pesar de que agujeros negros microscópicos estables no se esperan en teoría, el estudio de las consecuencias de su producción por rayos cósmicos demuestra que son inofensivos. Las colisiones en el LHC y las colisiones de rayos cósmicos con cuerpos celestes como la Tierra se diferencian en que las nuevas partículas producidas en las colisiones del LHC se mueven más despacio que las producidas por rayos cósmicos. Los agujeros negros estables podrían tener carga eléctrica o ser neutros. Si tuvieran carga eléctrica, interaccionarían con la materia ordinaria y se pararían cuando atraviesan la Tierra, se hayan producido en rayos cósmicos o en el LHC. El hecho de que la Tierra exista todavia, descarta la posibilidad de que los rayos cósmicos o el LHC puedan producir agujeros negros microscópicos cargados y peligrosos. Si los agujeros negros microscópicos estables no tuvieran carga eléctrica, su interacción con la Tierra sería muy débil. Aquéllos producidos por rayos cósmicos pasarían de forma inofensiva a través de la Tierra hacia el espacio, mientras que los producidos en el LHC se podrían quedar en la Tierra. Sin embargo, existen cuerpos celestes mucho más grandes y densos que la Tierra en el universo. Los agujeros negros producidos en colisiones de rayos cósmicos con otros cuerpos como estrellas de neutrinos o enanas blancas se pararían. La existencia de dichos cuerpos celestes densos en la actualidad, además de la existencia de la Tierra, elimina la posibilidad de que el LHC produzca agujeros negros peligrosos.

Strangelets

Strangelet es el término con el que se denomina a un hipotético trozo microscópico de “materia extraña” que contiene el mismo número de partículas, quarks, de tipo up, down y strange. De acuerdo con los estudios teóricos más recientes los strangelets se transformarían en materia ordinaria en una milésima parte de un millonésima parte de un segundo. Pero ¿podrían los strangelets fusionarse con la materia ordinaria y cambiarla por “materia extraña”?. La primera vez que se planteó esta cuestión fue en el año 2000 cuando comenzó a funcionar el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC) en Estados Unidos. Un estudio de esa época demostró que no existían razones para preocuparse, y el acelerador RHIC ha funcionado durante ocho años buscando strangelets sin haberlos encontrado. Durante algunos periodos el LHC funcionará con haces de núcleos pesados, como el RHIC. Los haces del LHC tendrán una energía mayor que el RHIC, lo que hace todavía menos probable que pudieran formarse strangelets. Es difícil que la “materia extraña” pueda agruparse en las altas temperaturas producidas en dichos colisionadores, de la misma forma que el hielo no se forma en agua caliente. Además los constituyentes estarán más diluidos en el LHC que en el RHIC, lo que hace más difícil que la “materia extraña” pueda agruparse. La producción de strangelets en el LHC es menos probable que el RHIC, y la experiencia en este acelerador ha validado el argumento de que no se pueden producir strangelets.

Burbujas de vacío

Existen especulaciones sobre que el universo no se encuentra en su configuración más estable, y que las perturbaciones causadas por el LHC podrían llevarlo a un estado más estable, llamado burbuja de vacío, en el que no podríamos existir. Si el LHC pudiera hacer esto, también podrían hacerlo las colisiones de rayos cósmicos. Puesto que las burbujas de vacío no se han producido nunca en el universo visible, no se podrán producir en el LHC.

Monopolos magnéticos

Los monopolos magnéticos son partículas hipotéticas con una única carga magnética, bien un polo norte o un polo sur. Algunas teorías especulativas sugieren que, si existen, los monopolos magnéticos podrían producir la desintegración del protón. Estas teorías también predicen que dichos monopolos serían demasiados pesados como para que se pudieran producir en el LHC. Por otra parte, si los monopolos magnéticos fueran lo suficientemente ligeros como para producirse en el LHC, los rayos cósmicos que golpean la atmósfera de la Tierra los hubieran producido ya, y la Tierra los habría parado y atrapado. El hecho de que la Tierra y otros cuerpos celestes sigan existiendo elimina la posibilidad de que los peligrosos monopolos magnéticos que se comerían a los protones fueran lo suficientemente ligeros como para producirlos en el LHC.

Es emocionante ver esto de cerca, es ver que muchas de las teorías de Einstein se van confirmando poco a poco con la práctica, y de ser positivo el estudio, no solo comprobaríamos que Higgs tiene razón al intuir una partícula invisible hasta ahora, sino que Einstein seguirá vigente hasta que el marco de referencia deje que su física siga operando. Estamos a punto de obtener información de un suceso que pasó a pocas millonésimas de segundo del “Big Bang”. Pero no se está haciendo un “Big-Bang” de la misma magnitud que el real, sino un micro “Big-Bang” que recreará las condiciones de ese momento, por lo que las repercusiones fatalistas como un hoyo negro en medio de Europa serán nulas, pues la energía liberada no es mas que de unas 30 trillonésimas veces menos que la liberada por una bombilla de 60 vatios en un segundo. El único cambio que habrá tras este experimento será solo a nivel conocimiento, pues nos dará un mejor entendimiento de la materia.

Otro detalle interesante es que al suceder el “Big-Bang”, como ya lo habíamos mencionado, se creó tanto materia como antimateria, pero al unirse, como sabemos, se aniquila una con la otra, pero para que la materia que conocemos exista, tuvo que haber un pequeño desequilibrio, y eso también se estudiará de pasada con el LHCf.

Con esto yo entiendo que la vida como la conocemos o es un accidente derivado de una falla del Modelo Estándar, o algo netamente calculado por un factor que se desconoce y que puede ser desvelado también con este experimento.

Por ahora, y mientras esperamos el encendido del “Switch”, aún se debaten los peligros de esta prodigiosa máquina, una máquina que promete convertirse en un visor del tiempo que escudriñará los microsegundos en que todo tuvo su origen y razón de ser. Un punto perdido en las entrañas del Cosmos en el que la oscuridad de los tiempos fue testigo de un prodigio maravilloso que, hasta hoy, es considerado como el origen de todo lo que conocemos, El Big Bang.

Leopoldo Zambrano Enríquez.
13 De Julio De 2008.

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