LHC: Gran Colisionador de Hadrones

AUTORES CIENTÍFICO-TÉCNICOS Y ACADÉMICOS
LHC: Gran Colisionador
de Hadrones
Antonio Rincón Córcoles
Para apuntar a los fragmentos más pequeños del Universo
ha sido preciso construir la mayor máquina de la Tierra.
The Guardian, diario británico
E
l 20 de noviembre de 2009, la comunidad científica internacional
celebró con alborozo la puesta en marcha de uno de sus proyectos más preciados. El Gran Colisionador de Hadrones, también conocido por sus siglas inglesas LHC (Large Hadron Collider), comenzó a
registrar los primeros choques entre protones de altísima velocidad,
esas partículas elementales que anidan comúnmente en el centro de
los átomos. Muchas son las esperanzas que se han depositado en la
capacidad de este acelerador de partículas para extender las fronteras
del conocimiento de la ciencia. Y no menores han sido las controversias suscitadas por el enorme desembolso económico que supone y
por la posibilidad de que sus experimentos produzcan consecuencias
inesperadas.
¿Qué estímulo ha llevado a la construcción de un proyecto cuyo
presupuesto inicial ascendía nada menos que a 7.500 millones de
euros? La Organización Europea para la Investigación Nuclear, institución que lo patrocina y más conocida por sus antiguas siglas, CERN,
el principal laboratorio de investigación del mundo en física de partículas, tiene sobrados motivos para impulsar la empresa. Tras un
esfuerzo de décadas por componer un modelo básico del funcionamiento del mundo físico, los científicos han llegado a una conclusión clara: en nuestro ámbito cotidiano, nos movemos en un entorno
de bajas energías que limita nuestra aptitud para investigar y comprender la esencia del universo y de la realidad física. Es preciso elevar al máximo las energías de trabajo de los experimentos para descubrir fenómenos nuevos y para someter a pruebas definitivas las
mejores teorías científicas vigentes de que se dispone.
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ACTA
LHC: Gran Colisionador de Hadrones
Para este fin se construyen los aceleradores de
partículas. Estas máquinas existen desde la década de
1930 y se han construido con una potencia creciente
de funcionamiento. En esencia, utilizan campos electromagnéticos de alta intensidad para proyectar partículas cargadas (electrones, protones, núcleos atómicos) a velocidades elevadísimas. En el LHC, el último
representante de esta saga, los protones serán acelerados hasta una velocidad del 99,99% de la de la luz.
La teoría de la relatividad y la mecánica cuántica
han sido inspiradoras y objeto de estos experimentos.
La investigación en los laboratorios de partículas de
alta energía ha sustentado un extraordinario avance
de la ciencia y la tecnología durante el siglo XX. Ha
permitido además componer un mapa creíble de la
composición de la materia, de las interacciones que
rigen los fenómenos que observamos en la naturaleza. Este mapa ha sido denominado modelo estándar
de la física de partículas.
Relatividad, cuántica y modelo estándar son los
tres pilares en los que se asienta la ciencia básica
actual. Sus preceptos y predicciones han sido convalidados en multitud de experimentos de notable precisión que les otorgan verosimilitud y un gran valor
para el progreso tecnocientífico. Pero el mapa que
componen no está completo. En ocasiones resulta
ambiguo e incluso contradictorio. Deja entrever espacios de terra incognita que alientan la propuesta de
soluciones aventuradas y especulativas por parte de
los científicos más osados. En definitiva, no satisface
plenamente el ansia intelectual de sus descubridores.
El LHC es la herramienta más poderosa con que
se cuenta en la busca de este conocimiento. Más de
diez mil científicos e ingenieros de un centenar de países trabajan en él. Cientos de universidades y laboratorios de todo el mundo realizan en paralelo investigaciones situadas dentro de su ámbito. Todo con la
perspectiva de encontrar una respuesta para las preguntas pendientes de la física, de componer el puzzle
definitivo del modelo de partículas y promover así
una nueva era del desarrollo científico y tecnológico
y del progreso social.
à
El modelo estándar de partículas
La física contemporánea describe la naturaleza
como un entorno definido por la interacción de cuatro fuerzas y doce partículas elementales de materia.
Dos de las fuerzas son muy conocidas para los legos
en el asunto: la gravitación que nos aferra al suelo y
que dibuja los movimientos de los objetos celestes,
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desde las galaxias a los planetas; y el electromagnetismo, que gobierna los fenómenos eléctricos y magnéticos tan utilizados en las tecnologías actuales y que
da consistencia y estabilidad a los átomos.
Las otras dos fuerzas fundamentales actúan predominantemente en la escala subatómica. La interacción fuerte cohesiona las partículas que están presentes en los núcleos de los átomos. La fuerza nuclear
débil da cuenta de ciertos fenómenos subatómicos de
gran trascendencia, como es la desintegración beta
que marca las pautas del intercambio entre protones
y neutrones. El estudio de la gravitación es objeto de
la teoría de la relatividad general postulada por Albert
Einstein en la década de 1910. La descripción de las
otras tres fuerzas fundamentales entra dentro del
marco del modelo estándar de partículas.
Interacción
Partícula mediadora
Electromagnética
Fotón
Nuclear fuerte
Gluón
Nuclear débil
Bosón W, Z
Gravitatoria
Gravitón
Tabla 1. Las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza
y sus partículas mediadoras.
Este modelo propugna asimismo la existencia de
doce tipos de partículas elementales de materia. Las
doce partículas se agrupan en tres grandes familias o
“generaciones”, que presentan grandes semejanzas
entre sí y que se diferencian básicamente por la magnitud de su masa. La familia más modesta y asequible es la del electrón, tipo de partícula que circula en
la corteza exterior de los átomos y cuya carga negativa se toma como unidad mínima natural.
A la familia del electrón pertenecen el neutrino
electrónico, de carga eléctrica nula, y dos clases de
quarks (up, o arriba, y down, o abajo), integrantes de
las partículas presentes en los núcleos atómicos y que
se caracterizan por poseer una carga eléctrica fraccionaria. Según los experimentos realizados en aceleradores de partículas, los quarks no pueden existir como
partículas libres más allá de un periodo de 10-24 segundos. Por ello se unen unos con otros para formar partículas compuestas como los protones y los neutrones.
Históricamente, el descubrimiento de la composición de la materia siguió un orden distinto al indicado. Tras largos siglos de ciencia en los que se creía
que la materia era un ente continuo, durante el siglo
XIX se extendió la convicción de que está compuesta
LHC: Gran
Colisionador
de Hadrones
por entidades mínimas a las que se llamó átomos.
Actualmente se conoce la existencia de más de un
centenar de clases distintas de átomos, desde el
hidrógeno y el helio al plomo, el hierro y el oro, el
radio y el uranio, el nobelio y el laurencio.
Generación
En las primeras décadas del siglo XX se propuso
un modelo de átomo construido a semejanza de un
sistema solar en miniatura: en el centro se ubicaría el
núcleo, integrado por un conglomerado de partículas
de carga eléctrica positiva (protones) y neutra (neutrones). Alrededor del núcleo atómico circularían los
electrones en “órbitas” de mayor o menor estabilidad.
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La realidad descubierta en los años siguientes
demostró ser mucho más compleja. Los electrones no
ocupan “órbitas”, sino regiones de probabilidad
denominadas orbitales. Las partículas presentes en
los núcleos no son elementales, sino que están compuestas por otros corpúsculos. El protón es un conglomerado de tres quarks: dos up o arriba y uno
down o abajo. Un neutrón está compuesto por dos
quarks down y uno up. La estabilidad de los protones
y los neutrones está garantizada por la acción de la
fuerza nuclear fuerte, a la que se asocia una partícula
“mensajera” o intermediaria: el gluón (de glue, pegar
en inglés).
Con estos datos se llegó a completar la primera
generación de partículas elementales: electrón, neutrino electrónico y quarks up y down. La colección se
enriquece con la presencia de las correspondientes
antipartículas: el positrón o antielectrón es formalmente idéntico al electrón, aunque tiene carga eléctrica positiva en lugar de negativa. De forma análoga,
existen antineutrinos electrónicos y antiquarks up y
down.
La segunda familia de partículas elementales tiene
como base el muón, que es una especie de hermano
mayor del electrón. Se distingue por poseer propiedades muy semejantes a él, aunque una masa unas 200
veces mayor. La cohorte del muón, detectado en
fuentes de alta energía como los rayos cósmicos, se
completa con el neutrino muónico y los quarks charm
(encanto) y strange (extrañeza), además de sus
correspondientes antipartículas. Hipotéticamente,
sería posible formar átomos con combinaciones de
estas partículas pesadas, aunque resultarían altamente inestables. Por último, el tauón o partícula tau es el
protagonista de la tercera generación, “superpesada”,
de partículas. Sus parientes son el neutrino tauónico
y los quarks top (cima) y bottom (fondo). Estas partículas se han detectado también en fuentes cósmicas
de alta energía.
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Partículas
Electrón
Quark arriba (up)
Neutrino electrónico
Quark abajo (down)
Muón
Quark encanto (charm)
Neutrino muónico
Quark extrañeza (strange)
Partícula tau
Quark cima (top)
Neutrino tauónico
Quark fondo (bottom)
Leptones
Hadrones
Tabla 2. Según el modelo estándar, existen tres familias
o generaciones de partículas elementales. Electrón, muón y tauón,
con sus neutrinos y antipartículas, se llaman leptones, porque
no se ven afectados por la fuerza nuclear fuerte. Los seis tipos
de quarks, y sus antiquarks, son hadrones, cuyo movimiento
está regido por la interacción fuerte.
Las partículas de este modelo están definidas por
tres propiedades: carga, masa y espín. Electrón,
muón y tauón tienen carga eléctrica –1. Sus antipartículas respectivas poseen carga eléctrica +1. Los
neutrinos carecen de carga, mientras que a los quarks
se les asigna una carga fraccionaria: +2/3 para los
quarks up, charm y top y –1/3 para los quarks down,
strange y bottom (con signo contrario en sus antiquarks respectivos). La carga eléctrica determina la
naturaleza de las interacciones electromagnéticas y
provoca, por ejemplo, que los electrones (negativos)
sean atraídos a los átomos por los núcleos atómicos
(de carga neta positiva).
La masa es una noción asimilada a la materia
desde antiguo y se relaciona con el movimiento y con
la gravitación. Sin embargo, aunque conocida cotidianamente, para la física teórica constituye un enigma
cuya solución espera alcanzarse con los experimentos
del LHC. Por último, el espín es un concepto importante para la descripción de los estados cuánticos de
las partículas y los núcleos atómicos y se relaciona clásicamente con el momento angular o de giro de las
partículas. Puede tomar valores enteros (en cuyo caso
las partículas asociadas se denominan bosones) o
semienteros (en los fermiones, como el electrón).
Estas son, a grandes rasgos, las características y
descripciones esquemáticas del modelo estándar de
partículas. Aunque razonablemente acorde con los
experimentos, este modelo presenta algunos puntos
débiles y oscuros a los que se ha intentado dar respuesta con ideas atrevidas e innovadoras. Una de
ellas, el denominado mecanismo de Higgs, que pretende explicar el significado de la masa, es objeto
directo de investigación en los experimentos del LHC
y su comprobación, o falsación, pondrá a prueba la
validez de todo el entramado.
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ACTA
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LHC: Gran Colisionador de Hadrones
Las preguntas pendientes
La misión declarada del LHC es convalidar o refutar las afirmaciones más controvertidas del modelo
estándar de partículas. Se acompaña asimismo de
otros proyectos de gran envergadura cuyo estudio se
sitúa en la frontera última de los desarrollos actuales
de la ciencia. ¿Existen en torno nuestro dimensiones
ocultas que no somos capaces de percibir? ¿A qué se
debe el sesgo de presencia de materia, frente a la antimateria, que ha hecho posible nuestro mundo? ¿De
qué están hechas las misteriosas materia y energía
oscuras que, según la cosmología más avanzada,
componen más del 95% del universo?
La descripción técnica del LHC ayuda a hacerse
idea de la enorme ambición de la empresa científica
impulsada por el CERN. El Gran Colisionador de
Hadrones, el mayor acelerador de partículas construido en la historia, es un inmenso laboratorio extendido a lo largo de un túnel de 26.659 metros de circunferencia, situado bajo tierra en la frontera franco-suiza
cercana a la ciudad de Ginebra. El túnel, que había
sido construido previamente para albergar a un anterior acelerador de partículas del CERN, alcanza en
sus puntos más bajos hasta 175 metros de profundidad y en él las colisiones entre haces de partículas
alcanzarán una energía de 7 teraelectrón-voltios
(TeV), aproximadamente 1,12 microjulios (µJ), por
partícula.
El LHC contiene 9.300 imanes que han de
enfriarse previamente a su entrada en funcionamiento a unos 193 °C bajo cero con la ayuda de 10.000
toneladas de nitrógeno líquido. Posteriormente, la
temperatura de los imanes debe descender hasta
unos 271 °C bajo cero con ayuda de unas sesenta
toneladas de helio líquido. En su fase de pleno funcionamiento transitarán por el sistema billones de protones que recorrerán el anillo del LHC más de 11.000
veces por segundo, al 99,99% de la velocidad de la
luz. El número de colisiones por segundo se acercará
a unos 600 millones. Cabe imaginar la potencia de
cálculo de los superordenadores necesarios para procesar toda esta información.
Unos diez mil científicos, algunos de los mejores
talentos del mundo, de un centenar de nacionalidades trabajan en sus experimentos. Varios miles más
desarrollan proyectos asociados en laboratorios de
todo el planeta. Cabe imaginar la decepción que
sufrieron cuando las primeras pruebas del acelerador
fallaron en septiembre de 2008. Una importante avería entre dos imanes superconductores produjo un
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retraso de catorce meses en la inauguración del LHC.
Hoy funciona a buen rendimiento y acoge experimentos cuyos resultados serán base de estudios y
esperados avances en los años venideros.
El problema de la masa
El inglés Isaac Newton (1643-1727) es considerado por muchos el más influyente científico de la historia. A él se deben dos obras fundamentales, que
sentaron las bases de la mecánica y la óptica, el estudio de la luz. Describió la gravedad como un fenómeno universal que afecta por igual a los astros del firmamento y a los objetos de la superficie terrestre.
Como una fuerza de atracción entre los cuerpos que
es directamente proporcional a sus masas respectivas
e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
La idea de gravedad fue refinada con extrema elegancia por Albert Einstein con su teoría de la relatividad general enunciada en 1915. Después de establecer la equivalencia entre masa y energía mediante su
célebre fórmula E = mc2 (la energía es igual al producto de la masa por la velocidad de la luz elevada al
cuadrado), explicó la gravedad como una deformación del espacio-tiempo provocada por la presencia
de los cuerpos dotados de masa-energía. La curvatura resultante en el espacio-tiempo obliga a los cuerpos
masivos próximos a seguir trayectorias curvas como
hacen, por ejemplo, los planetas en sus órbitas alrededor del Sol.
En ambas proposiciones, la teoría de Newton y su
ampliación según la relatividad general, aparece la
masa como una magnitud fundamental. Asimismo, la
masa es uno de los valores básicos de las partículas
elementales, uno de los descriptores de su comportamiento. Todos los electrones poseen la misma masa,
determinada aproximadamente como 9,019 x 10-31
kilogramos. La masa de los protones es superior en
cuatro órdenes de magnitud, de 1,672 x 10-27 kg. No
obstante, la inmensa mayoría de este valor corresponde a la energía cinética de movimiento de los
quarks up y down que los componen; la masa “en
reposo” de los quarks individuales es comparable a la
minúscula del electrón.
Una de las debilidades del modelo estándar proviene de la necesidad de asignar valores empíricos a
las masas en reposo de las doce partículas elementales. Valores como los expresados en el párrafo anterior distan llamativamente de la elegancia y sencillez
de los que se asignan a las otras dos cualidades básicas de dichas partículas: la carga eléctrica y el espín.
LHC: Gran
Colisionador
de Hadrones
La masa aparece como una propiedad enigmática,
cuyos efectos son fáciles de percibir en el mundo
macroscópico, por ejemplo, como una medida de la
oposición que presentan los cuerpos a ponerse en
movimiento. Pero su origen y esencia íntima resultan
desconocidos según las bases de la teoría.
En el contexto del modelo estándar se ha apuntado una idea que podría explicar la procedencia de la
masa de las partículas. Se denomina mecanismo de
Higgs y preconiza la existencia de una partícula aún
no descubierta, que ha sido bautizada con el nombre
de bosón de Higgs. Este bosón se entiende como un
ente surgido de la excitación del vacío ante la presencia de un campo de su mismo nombre. Su búsqueda
constituye uno de los objetivos principales del LHC,
dado que se estima que esta partícula estaría al alcance de los experimentos para los rangos de energías y
temperaturas manejados en este acelerador.
El mecanismo en cuestión fue propuesto por primera vez en 1964 por Robert Brout y Francois
Englert, aunque Peter Higgs trabajaba de forma contemporánea en un desarrollo similar. Así, este físico
teórico inglés fue agraciado con el nombre del
supuesto bosón implicado cuando otro puñado de
investigadores habrían sido igualmente merecedores
del honor. Sea como fuere, la idea parte de la conjetura de que el espacio en el que acontecen los fenómenos subatómicos está impregnado de un campo
cuántico especial, que se ha dado en llamar campo
de Higgs. La relación de cada partícula elemental con
ese campo provoca la aparición de su masa en reposo, según un mecanismo que genera el valor concreto para esta magnitud medido en los laboratorios.
La propuesta del campo de Higgs fue necesaria
para solventar un problema de inconsistencia del
modelo estándar. En ausencia de este campo, para
que el modelo fuera consistente todas las partículas
habrían de moverse a la velocidad de la luz. Pero esto
sucede tan sólo para los fotones, las partículas sin
masa mediadoras del electromagnetismo consideradas como “cuantos de luz”. El campo de Higgs, a
modo de un espacio de “barro cuántico” con el que
ha sido comparado, actuaría para frenar a las demás
partículas hasta velocidades sublumínicas acordes
con los valores de sus masas en reposo. A las partículas más masivas les costaría más recorrer el espacio
por el efecto del farragoso campo de Higgs.
La coherencia matemática del modelo estándar,
que comprende el concepto de campo y mecanismo
de Higgs, sólo es posible si se le asocia una partícula,
hasta ahora hipotética, de espín entero: el bosón de
Higgs. El valor mínimo estimado de masa-energía del
bosón de Higgs se sitúa en el orden de 100 gigaelectrón-voltios (GeV), en el límite superior del alcance de
los aceleradores de partículas anteriores al LHC.
Algunos de estos aceleradores han mostrado atisbos
de fenómenos que podrían apuntar a la detección del
anhelado bosón. Como estos órdenes de energía se
sitúan ampliamente dentro del margen de trabajo del
LHC, es de esperar que este acelerador aporte una
respuesta al enigma.
Así pues, si el LHC demostrara la existencia del
bosón de Higgs y la validez del mecanismo asociado
de formación de la masa, daría un espaldarazo
extraordinario al modelo estándar de partículas. En
caso contrario, indicaría que algo importante no funciona, abriría nuevas líneas de investigación y serviría
para extender hacia el futuro los horizontes de la ciencia.
Una cuestión de simetría
El modelo estándar propone que a cada una de
las doce partículas elementales de materia existentes
le corresponde una antipartícula, que comparte todas
sus características (masa y espín) salvo el signo de la
carga eléctrica, que es el opuesto. Existen así antielectrones (o positrones, que son electrones positivos),
antiquarks, antimuones, antineutrinos, etc. Tales partículas han sido detectadas fugazmente en los experimentos.
La razón de lo efímero de su naturaleza es fácil de
comprender: cuando una antipartícula se topa con
“su” partícula, ambas chocan entre sí para aniquilarse y producir otras partículas. Por ejemplo, un positrón creado en un laboratorio de partículas encontrará pronto un electrón en su camino. Ambos
colisionarán y se generarán dos fotones.
Los escritores de ciencia-ficción, y los propios
científicos, han fantaseado en torno a la posibilidad
de descubrir regiones de antimateria, formadas por
antinúcleos atómicos de antiprotones y antineutrones
con positrones ligados para formar antiátomos. Teóricamente sería posible. Pero no se han detectado en la
naturaleza por la rapidísima aniquilación de los pares
de partículas-antipartículas, que haría tales estructuras extremadamente inestables.
Debe quedar claro que la existencia de la antimateria no es una hipótesis, sino una realidad contrastada en los experimentos. Según los postulados de la
mecánica cuántica, del vacío cuántico brotan espontáneamente pares de partículas-antipartículas de vida
muy corta, pero con interesantes connotaciones para
la física y para la cosmología.
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ACTA
LHC: Gran Colisionador de Hadrones
Ahora bien, en este contexto surge una pregunta:
¿por qué vivimos en un mundo de materia que excluye la antimateria, cuando no se conocen motivos fundados que eviten que ambas clases sean igualmente
probables? La cosmología propone que, durante los
primeros instantes del big bang, la mayoría de la
materia-antimateria se aniquiló por los mecanismos
explicados anteriormente, aunque quedó un residuo
material que dio origen a las estructuras (núcleos atómicos, átomos, estrellas, galaxias) que observamos en
el cosmos. Ello implica que, desde un principio, existió un ligero excedente de materia que desequilibró la
balanza. ¿A qué se debe este sesgo, esta asimetría en
las condiciones iniciales del universo?
En una aproximación imaginativa al problema,
Richard Feynman explicó las antipartículas como partículas que recorren el tiempo en sentido inverso. Es
decir, un positrón podría entenderse como un electrón viajando hacia el pasado. Los planteamientos de
este tipo se encuadran dentro de conceptos más complejos manejados cotidianamente por los físicos dentro del dominio de las simetrías.
El modelo estándar de partículas define tres clases
de simetrías naturales según las cuales, si se cumplieran, el universo que percibimos sería para nosotros
indistinguible de otro en el que se aplicaran ciertos
cambios. Por ejemplo, existiría simetría C (de conjugación de carga) si no encontráramos diferencias en
el universo al sustituir todas las partículas por sus
correspondientes antipartículas. La simetría P, o de
paridad, se daría en un universo que fuera equivalente a sí mismo si todo sucediera como reflejado en un
espejo, con sustitución de la izquierda por la derecha
y viceversa.
Finalmente, en caso de que existiera simetría T
(temporal), el universo seguiría pareciéndonos el
mismo si se invirtiera la dirección del tiempo y evolucionara hacia el pasado. (La simetría T contradice claramente a la intuición, si bien ha de tenerse en cuenta que se ha planteado en un contexto de
propiedades locales, “microscópicas”, y no tiene en
cuenta parámetros de carácter global, “macroscópico”, como es la entropía, magnitud que marca la
dirección de la flecha del tiempo.)
El modelo estándar constata que, en su generalidad, estas simetrías están “rotas” en el universo
actual. Es decir, se infringen. La inversión aislada en
la dirección del tiempo, en la orientación derechaizquierda o en el signo de la carga eléctrica no produce universos equivalentes al nuestro. En cambio, las
tres se cumplen de forma combinada. El modelo valida la simetría CPT, lo que hace plausible la existencia
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de un universo especular formado por antipartículas
que viajen hacia el pasado. Semejante entelequia
resulta perfectamente válida desde el punto de vista
de la física.
En algunas disquisiciones sobre el modelo estándar se ha planteado una simetría adicional a las anteriores. Se trata de la supersimetría, que habla de la
equivalencia entre partículas que sólo difieran en el
valor de su espín. Más en concreto, la supersimetría
establece una correspondencia entre bosones (partículas de espín entero) y fermiones (de espín fraccionario), para lo cual se “inventa” una nueva familia de
supuestas partículas elementales bautizadas con los
nombres de selectrón, squark (up, down, etc.), sneutrino, smuón, etc., además de las asociadas con las
cuatro partículas mediadoras de las interacciones fundamentales: fotino, wino y zino (para los bosones W
y Z), gluino y gravitino.
Es decir, según esta hipótesis, a cada una de las
partículas elementales de materia y mediadoras debería asociársele una supercompañera equivalente en
todos los aspectos salvo en el valor del espín. El
modelo estándar propone asimismo que la supersimetría está “rota”, se viola en la naturaleza, como
resultado de lo cual las masas de las supercompañeras han de ser muy superiores a las de las partículas
originales, del orden del teraelectrón-voltio. Históricamente, los aceleradores de partículas trabajaban lejos
de este valor límite. Pero no sucede así con el LHC.
Por sus altas energías operativas, este acelerador de
partículas podría aportar una respuesta interesante a
la cuestión de la supersimetría.
La cara oscura
Si se constatara en el laboratorio la existencia de
partículas supersimétricas, dotadas de una masa muy
elevada y hasta ahora indetectables para los aparatos
experimentales, se avanzaría hacia la resolución de
uno de los problemas pendientes, y más acuciantes,
de la cosmología: la materia oscura. Según los datos
observacionales obtenidos de los más modernos satélites de investigación, el universo está constituido
aproximadamente por un 5% de materia ordinaria, la
enclaustrada en los átomos que integran nuestra realidad cotidiana. El 95% restante es desconocido: un
23% es materia oscura; el 72% restante, energía
oscura.
Presumiblemente, la materia oscura estaría compuesta por partículas exóticas, nunca encontradas en
los detectores y los experimentos. Como queda dicho,
la familia de supercompañeras de las partículas ele-
LHC: Gran
Colisionador
de Hadrones
mentales podría orientar hacia una respuesta. Como
también otras partículas hipotéticas muy masivas,
denominadas genéricamente WIMP (en inglés, partículas masivas débilmente interactivas). El neutralino,
cuya masa teórica multiplica por varios centenares la
del protón, es una de las candidatas. Existen otras
cuya masa-energía se encuentra al alcance de los
experimentos del LHC. Los astrónomos aguardan
expectantes los datos que aporte este acelerador para
profundizar en el estudio de la materia oscura.
La energía oscura representa un problema más
espinoso. Se define como una especie de antigravedad causante de la expansión acelerada del universo.
El descubrimiento de sus efectos, hace apenas unos
años, ha auspiciado una profunda revolución en la
astronomía y la cosmología y tal vez exija un replanteamiento radical de algunos de sus principios fundamentales. Como el campo de Higgs, la energía oscura parece impregnar todo el espacio-tiempo, de
manera que algunos investigadores confían en lograr
establecer, con ayuda del LHC, algún tipo de relación
entre energía oscura, mecanismo de Higgs y supersimetría. Aun si fuera plausible, tal vinculación obligaría a un esfuerzo colectivo para mejorar, y ampliar, los
desarrollos de las teorías en vigor.
¿Dimensiones ocultas?
Un asunto que planea sobre algunos de los desarrollos teóricos más recientes de la física es la posibilidad de que vivamos inmersos en un universo con
dimensiones insospechadas. Según la teoría de la
relatividad de Einstein, el cosmos se despliega en un
contexto de cuatro dimensiones, tres espaciales (altura, anchura y profundidad) y una temporal, que evolucionan en relación mutua indisoluble. Pero la imposibilidad de conciliar de un modo plenamente
satisfactorio los hallazgos de esta teoría con los de la
no menos exitosa mecánica cuántica ha inducido a
varias generaciones de científicos a investigar nuevas
hipótesis de unificación.
Una de las más conocidas es la teoría de cuerdas.
En esencia, esta teoría propone que las partículas elementales no son puntos, tal y como plantea el modelo estándar, sino filamentos vibrantes que se despliegan en una dimensión. La vibración de estos
filamentos “emite”, como las cuerdas de un violín, distintos estados de excitación que se corresponden con
las diferentes partículas elementales observadas en los
experimentos. De este modo, de la oscilación de una
cuerda en determinada “frecuencia” surgirá un electrón, pero si su “frecuencia” fuera otra el resultado
podría ser, por ejemplo, un muón, un quark down, etc.
En torno a esta idea fundacional se han construido intrincados sistemas físico-matemáticos que pretenden describir sólidamente las propiedades que
aparecen en el modelo estándar. El acierto de la teoría de cuerdas ha residido en su capacidad para integrar en un sistema global los preceptos del modelo
estándar, los principios cuánticos y la gravitación
acorde con el enfoque original de Einstein. De ahí la
intensa divulgación que la ha acompañado en los
medios de comunicación, como promesa de futura
“teoría del todo”.
Sin embargo, los inconvenientes que se le asocian
no son baladíes. Las predicciones de la teoría de
cuerdas no han podido ser constatadas por el experimento y, de momento, no pasan de ser meras conjeturas indemostradas. Además, la consistencia matemática de sus desarrollos abstractos exige dos
condiciones muy controvertidas: es imperativa la
existencia de partículas supersimétricas y se ha de
considerar que el espacio-tiempo está integrado en
realidad por nueve (o diez, según las versiones)
dimensiones espaciales más una temporal.
Para dar verosimilitud a este modelo multidimensional, los defensores de la teoría de cuerdas exponen
que las dimensiones adicionales son imperceptibles
para nosotros y nuestros detectores porque están
arrolladas en una longitud minúscula. En el inicio del
universo, todas las dimensiones habrían estado igualmente confinadas; sin embargo, en los primeros instantes del big bang tres de las espaciales se desplegaron para conformar la estructura perceptible de
espacio-tiempo, mientras que las restantes permanecieron férreamente compactadas.
Es poco probable que los experimentos del LHC
ofrezcan resultados claros sobre las dimensiones adicionales previstas por la teoría de cuerdas. No obstante, en los resultados de sus experimentos podrían asomar indicios que apuntaran en esta dirección y
otorgaran mayor credibilidad a las predicciones de un
esquema teórico tan altamente especulativo.
à
Las respuestas del LHC
En una guía oficial resumida sobre el LHC
(http://cdsmedia.cern.ch/img/CERN-Brochure-2009003-Eng.pdf), el CERN declara como objetivos principales del proyecto los siguientes:
n Explicar el origen de la masa, con la atención
dirigida a la convalidación del mecanismo de
Higgs.
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LHC: Gran Colisionador de Hadrones
n Facilitar una descripción unificada de las fuerzas
fundamentales, en un principio a través de la
comprobación de la hipótesis de la supersimetría.
n Buscar partículas o fenómenos hasta ahora des-
conocidos que permitan profundizar en el conocimiento de la materia y la energía oscuras.
n Investigar el misterio de la antimateria.
n Indagar en la física de altísimas energías para
emular las condiciones en que tuvo lugar el primer desarrollo del universo a partir de la Gran
Explosión primigenia, en particular el estado de
materia primordial bautizado con el nombre de
“plasma de quarks-gluones”.
Para lograr tales propósitos, el LHC, como todo
acelerador de partículas, actúa como un inmenso
tubo de vacío por el que circulan partículas guiadas y
aceleradas por dispositivos electromagnéticos. Imanes de tipo dipolo (1.232 en total) dirigen los haces
de partículas en órbitas casi circulares, mientras los
cuadrupolos (392 imanes), sextupolos y demás sirven
para enfocar dichos haces. Las partículas se aceleran
en resonadores electromagnéticos denominados cavidades de radiofrecuencia (RF, ocho por haz), y después se aplica un procedimiento de compensación de
pérdidas energéticas para mantener una energía de
haz constante. Con este esquema, cada haz de protones circula por el túnel durante unas diez horas casi a
la velocidad de la luz, con lo cual recorre una distancia equivalente a un viaje de ida y vuelta hasta el planeta Neptuno.
Este entramado encuentra los puntos esenciales
en la colección de seis grandes experimentos de
detección instalados en el LHC. Sus siglas y nombres
se recogen en la tabla 3.
Los grandes detectores asociados a estos experimentos tienen como finalidad primordial identificar los
subproductos de las colisiones, las partículas secundarias que se producen en las mismas. Tras su detección,
han de medir la posición que ocupan en el espacio y
Experimento
el valor de sus propiedades, como velocidad, masaenergía y carga eléctrica. Este cometido obliga a dividir los detectores en una amplia colección de subdetectores en un sistema de “capas de cebolla”,
auxiliados por imanes que separan unas partículas de
otras en virtud de sus propiedades electromagnéticas.
El objetivo declarado de dos de los grandes experimentos reseñados, ATLAS y CMS, es la búsqueda
del bosón de Higgs y de las supuestas partículas
supersimétricas, y de indicios que ayuden a ampliar y
enriquecer el modelo estándar de partículas. El primero, el ATLAS, es una estructura cilíndrica de un
peso equivalente al de la torre Eiffel en unas dimensiones bastante reducidas: 25 m de altura por 46 m
de longitud. Está provisto de un inmenso sistema
toroidal de imanes. Más de 1.900 científicos e ingenieros de centenar y medio de institutos distribuidos
por una treintena de países se encargan de su control
y manejo en colaboración.
El CMS persigue, en esencia, los mismos fines
científicos que el ATLAS aunque a través de un diseño técnico sustancialmente diferente. En cierto sentido, ATLAS y CMS son redundantes, si bien su trabajo coordinado permitirá dotar a los resultados de la
investigación de un grado de fiabilidad muy elevado.
Una dotación de unas dos mil personas supervisa el
funcionamiento del sistema y extrae y analiza las
informaciones más relevantes.
LHCb y ALICE son los otros dos grandes módulos experimentales del LHC. El primero está especializado en indagar en los matices de las partículas del
modelo estándar que podrían arrojar cierta luz sobre
las ligeras asimetrías observadas entre creación de
materia y antimateria en ciertas interacciones de
laboratorio relacionadas con los quarks down. Tal vez
en estas asimetrías se esconda el secreto de la aniquilación total de la antimateria y de la formación de un
universo sólo de materia.
En el detector ALICE se induce otro tipo de colisión conceptualmente diferente, el que tiene lugar tras
Significado
ALICE
A Large Ion Collider Experiment (gran experimento colisionador de iones)
ATLAS
Aparato toroidal
CMS
Compact Muon Solenoid (solenoide de muones compacto)
LHCb
Large Hadron Collider beauty
LHCf
Large Hadron Collider forward
TOTEM Total
Elastic and diffractive cross-section measurement (medida en sección transversal difractiva y elástica total)
Tabla 3. Los seis grandes experimentos del LHC.
16
LHC: Gran
Colisionador
de Hadrones
la aceleración de iones de plomo hasta una energía
cercana a los 600 TeV. La finalidad del experimento
es recrear las condiciones que, supuestamente, dominaron en los primeros instantes del universo, y estudiar el “magma” primordial constituido por un plasma de quarks y gluones sometidos a un entorno de
densidades y temperaturas extraordinariamente altas.
El detector ALICE se ha hecho merecedor al nombre
que se le atribuye de forma coloquial: máquina del
big bang.
Los dos últimos experimentos son de menor
envergadura. El LHCf sirve para el estudio de haces
de partículas que emulan los rayos cósmicos de altas
energías, mientras que el experimento TOTEM está
destinado a analizar propiedades especiales de los
haces de hadrones producidos en el acelerador.
Este breve repaso a los experimentos y dimensiones del LHC permite hacerse una idea de la enorme
magnitud de la empresa científica. La cantidad de
datos en bruto medidos en los detectores necesitaría,
para su almacenamiento, unos diez mil DVD de doble
capa por cada segundo. Evidentemente, es impensable un almacenamiento físico de estos datos. Su estudio y tratamiento se lleva a cabo en una extensa red
de instituciones distribuida por todo el mundo y dotada de ordenadores de cómputo de máximas prestaciones.
à
Riesgos y beneficios
En algunos foros se han planteado cuestiones
relativas a la seguridad de los experimentos realizados
en el ámbito del LHC. Innegablemente, este acelerador emite una radiación potencialmente peligrosa
para la salud que es preciso confinar. No obstante, las
dimensiones del LHC no añaden un riesgo significativamente mayor en este sentido al de otros aceleradores de partículas más convencionales o incluso al
de las centrales nucleares. La ubicación subterránea
de los dispositivos de aceleración y del túnel por el
que transitan las partículas favorece el filtro natural
para las radiaciones. Se han previsto sistemas estrictos de control de los índices de radiactividad que
cumplen con las normativas internacionales al respecto. Es de esperar que todos estos mecanismos funcionen de la forma prevista.
Los valores de energía de las colisiones que se
alcanzarán en el acelerador a pleno rendimiento
constituyen otro motivo de preocupación. Cierto es
que valores de esta índole se alcanzarán por primera
vez en los experimentos de laboratorio, pero las ener-
gías manejadas no nos son en modo alguno desconocidas. Desde su formación hace 4.500 millones de
años, la Tierra ha sufrido el continuo bombardeo de
partículas de rayos cósmicos de altísima energía originarias de fenómenos turbulentos como son las supernovas o los agujeros negros. La llegada a la Tierra de
los rayos cósmicos, muy superior en volumen a las
radiaciones que puedan producirse en el seno del
LHC, no ha dado lugar en el pasado a ninguna consecuencia devastadora para el planeta y para sus
habitantes.
Algo semejante puede decirse de la posibilidad de
que durante los experimentos del LHC puedan formarse miniagujeros negros como subproducto de las
altas concentraciones de energía. En este contexto, se
han presentado incluso demandas judiciales contra el
CERN y sus socios en el proyecto para intentar frenar
la entrada en funcionamiento del acelerador. Según
los temores expresados por los demandantes, habría
una posibilidad no nula de que alguno de estos
miniagujeros engullera el planeta y provocara un
cataclísmico fin del mundo.
Los científicos sostienen que tal riesgo es virtualmente inexistente. De nuevo viene al caso el ejemplo
de los rayos cósmicos. Estas radiaciones de fuentes
astronómicas llegan a la Tierra con energías superiores a las que se alcanzarán en el LHC, por lo cual tienen capacidad para engendrar miniagujeros negros.
Sin embargo, en la historia del planeta no se ha constatado, evidentemente, ningún efecto relacionado
con este fenómeno. Con argumentos semejantes se
ha rebatido la idea de que la creación de partículas
extrañas (por ejemplo, en el ámbito de la supersimetría) pudiera producir algún efecto catastrófico.
En sentido contrario, los patrocinadores y los responsables de los equipos científicos proclaman la
importancia del proyecto LHC para propiciar un
avance no sólo de la ciencia y el conocimiento, sino
de la sociedad en su conjunto. Con ello pretenden
acallar algunas voces que critican no ya los riesgos
hipotéticos ligados al acelerador, sino la ingente
inversión económica que ha acaparado. Entre los
disidentes hay quienes lamentan que estos fondos no
se destinen a otros muchos campos de investigación
que pugnan por abrirse camino en el competitivo
mundo de los proyectos científicos y que se encuentran escasos de financiación.
La ciencia básica, exponen los responsables del
LHC en su defensa, ha sido siempre un impulsor
decisivo en el avance tecnológico y el bienestar social.
Un ejemplo muy evidente de esta afirmación tiene
que ver con los desarrollos de la mecánica cuántica.
17
ACTA
LHC: Gran Colisionador de Hadrones
Esta disciplina nació de un impulso básicamente intelectual, no de una necesidad tecnológica, y se desarrolló durante décadas inmersa en un dominio de
alta complejidad teórica y matemática alejada de las
fábricas y de los hogares.
Sin embargo, la lista de innovaciones tecnológicas
obtenidas a partir de sus propuestas teóricas demuestra la influencia que la cuántica ha ejercido en todos
los ámbitos de la vida moderna. La explicación del
ferromagnetismo, los láseres, la superconductividad,
la superfluidez o los cristales líquidos emana directamente de sus conclusiones. Transistores, microchips y
ordenadores no habrían podido desarrollarse sin sus
enseñanzas. Como tampoco los paneles solares, los
microscopios electrónicos o los equipos médicos de
resonancia magnética nuclear, por citar sólo algunos
ejemplos.
Tanto la resonancia magnética como la tomografía por emisión de positrones (TEP) de uso médico
son igualmente deudoras de las tecnologías desarrolladas en aceleradores de partículas para fines científicos. Como orientación, sirva una cifra: en la actualidad, en el mundo existen unos 17.000 aceleradores
de partículas en funcionamiento; más de la mitad se
destinan a la medicina, y apenas un centenar sirven a
proyectos de investigación en ciencia básica.
Esta digresión pone el acento únicamente en la
punta del iceberg de los beneficios directos que se
derivan de la investigación científica. A ellos se añaden otros muchos pluses intangibles que cooperan
18
para surtir de mejoras globales a la sociedad. La plétora de científicos e ingenieros que trabajan en el
LHC y sus proyectos asociados constituye una rica
fuente de talento y formación. Muchos de ellos continuarán su labor investigadora. Otros emprenderán
posteriormente carreras profesionales en otros campos a los que trasladarán el know-how adquirido,
desde la enseñanza hasta la banca o los negocios.
Naturalmente, los adelantos en ingeniería de diseño, en fabricación y en telecomunicaciones son valores añadidos a la rentabilidad del LHC. La complejidad y exigencia de los componentes del acelerador
impone a las empresas industriales colaboradoras un
nivel de calidad óptimo, y al hacerlo les dota de un
activo muy rentable. Estas empresas, y su personal,
adquirirán así aptitudes que les permitirán participar
en proyectos de alta tecnología de muy diverso rango.
Finalmente, con su compleja arquitectura y funcionalidades, la red de ordenadores y centros de cálculo
necesaria para el procesamiento de los datos obtenidos
por los detectores no se limita en exclusiva a las actividades del LHC. Al contrario, compone un elemento
muy interesante para los desarrollos de la comunidad
científica y académica en su conjunto. No debe olvidarse que un invento tan laureado como la World Wide
Web fue concebido en las entrañas del CERN, inicialmente para la compartición de hallazgos entre equipos
científicos. Acaso la estructura de la red ligada al nuevo
superacelerador, coloquialmente conocida como Grid,
llegue a aportar en un futuro ventajas comparables
para la sociedad del conocimiento.