EL GRAN COLISIONADOR DE HADRONES

EL COLISIONADOR DE HADRONES


LA MÁQUINA DEL TIEMPO

Así se conoce el túnel del acelerador LHC, que será capaz de transportarnos al mismísimo instante en el que nació el cosmos. Con una longitud de 27 kilómetros, los operarios lo recorren en bicicleta. Aloja el tubo –dividido en dos cavidades y ensamblado por secciones– por el cual correrán los haces de protones en sentidos opuestos. Los protones son un tipo de hadrones, las partículas que dan nombre al Gran Colisionador.
(CERN)

GRAN CARRERA EN FRÍO...EXTREMO


En el interior del tubo del acelerador, dotado de una compleja estructura de imanes interconectados como una ristra de salchichas, se creará una criosfera: millones de litros de nitrógeno líquido y helio superfluido harán bajar la temperatura hasta los –271ºC –casi el cero absoluto–. Sólo en esas condiciones se podrá mantener a raya el calor generado por el paso de los haces de protones.

LA INSOPORTABLE LEVEDAD DEL BOSÓN DE HIGGS

Simulación de la producción de un bosón de Higgs en el detector CMS. Se cree que el Higgs, de existir, sería una partícula enorme comparada con la mayoría de las partículas subatómicas. Podría tener de 100 a 200 veces la masa de un protón. Por eso se necesita un colisionador poderoso: cuanto mayor sea la energía del choque, más grandes serán las partículas resultantes. Pero una partícula de estas dimensiones no es estable. En otras palabras, en una fracción de segundo se transformará en otras partículas, y lo que el LHC deberá poder hacer será captar, medir y analizar esa huella efímera pero vivaz, antes de que cambie de “personalidad”.

EL BESTIARIO DE PARTICULAS

Esta es una imagen real del rastro que deja un neutrino al interactuar con un electrón. Tanto los electrones como los neutrinos (en sus diversos “sabores”), los muones y los taus son partículas que pertenecen a la categoría de los leptones. Hasta ahora se cree que la materia está formada por tres componentes básicos: leptones, quarks y bosones. Quarks –alojados en los protones- y leptones conforman la materia ordinaria, la que vemos. Los bosones, en cambio, son como una goma invisible. Cada uno de ellos está asociado a una fuerza. Por ejemplo, la fuerza de un fotón, mantiene el electrón “unido” al núcleo del átomo. Y el glúon “congrega” a los quarks dentro del protón. La forma en que estas partículas se combinan dicta la estructura de la materia.

VITRALES SUBATÓMICOS

La imagen de este vitral futurista no es más que la impresión dejada por unas partículas dentro del detector BEBC, el Big European Bubble Chamber. Esta cámara en forma de burbuja es ya una reliquia de los años setenta. Se encuentra en el museo Microcosmos del CERN, no muy lejos de Meyrin, en Suiza. Un lugar muy recomendable para todo aquel que esté interesado en la historia de la física de partículas. Además de conservar otros componentes de los primeros aceleradores, el museo alberga una réplica del túnel LHC.

EL PAÍS DEL LEGO

La inmensa sala excavada a 150 metros bajo tierra donde se ha ubicado el detector ATLAS es apenas una parte del LHC, una monumental obra de ingeniería formada por millones de piezas ensambladas. Por razones obvias, sus constructores se refieren a él como Lego land. Enterrado a caballo entre Francia y Suiza, alojará los experimentos científicos más complejos de la historia de la ciencia.

Entrevista a Álvaro de Rújula
Álvaro de Rújula es un físico teórico español del CERN y uno de los más destacados en su campo en el mundo. Es colaborador del Premio Nobel de física Sheldon Glashow.

(Transcripción de la entrevista, por Angela Posada-Swafford)

Ángela: Estamos a las puertas del gran día, casi, donde vas a estar cuando se encienda este gran colisionador de hadrones?
Álvaro: Bueno, el día en que se va realmente a encender está previsto pero no será el día en que realmente se encienda. Por otra parte, este tipo de máquinas no es como un cohete espacial. Es decir, no tiene que funcionar a la primera. De hecho no funcionará a la primera. Lo que va a pasar cuando aprieten el interruptor, como dices tú, será que no funciona Y tardará cierto tiempo en funcionar. Estas cosas arrancan poco a poco. No es como un automóvil, que basta poner la llave. Y por lo tanto ese día no tiene el significado de una cosa que va a explotar. Sino más bien es un día en el que uno empieza a trabajar realmente en serio y a poner las cosas a punto. Así que no será un día. Será más de un día.

Ángela: Cuéntanos un poco entonces sobre el gran colisionador de hadrones y cómo funcionará este gran experimento.
Álvaro: 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.

Ángela: Álvaro, y cada segundo habrá muchos millones, en algún lado leí que 800 millones de colisiones. Pero ¿sólo algunas son las que nos interesan?
Álvaro: Sí, solamente una fracción muy pequeña de las colisiones produce partículas nuevas. La mayoría de las colisiones son lo que llamamos “periféricas”. Es como rozar al coche que nos va a chocar pero no darle de frente. Solamente las que son realmente de frente, por así decirlo, son aquellas en las que todo el potencial de la máquina se emplea. Pero uno no puede poner las partículas exactamente de frente. Así que unas chocan de frente y otras menos de frente. Son aquellas que chocan mas de frente, la fracción pequeña, las que potencialmente pueden darnos acceso a nuevos descubrimientos. Por eso es una pequeña fracción solamente la que es realmente interesante. Y por eso también, encontrar una cosa nueva es tan difícil. Porque entre millones y millones de cosas que pasan, solamente una es interesante. Es como la proverbial aguja en un pajar. Uno tiene millones de briznas de paja y tiene que encontrar aquellas que son especiales. Y eso es la dificultad fundamental de los experimentos que hay en el acelerador, que no es uno, son cuatro.

O cinco. Están en 4 regiones distintas en las que los protones chocan con los protones del otro haz de partículas. Hay 4 áreas de experimentación y 4 experimentos grandes y otros chiquitos, parasitarios, digamos.

Ángela: Cada uno de esos 4 experimentos tienen una misión distinta o complementaria uno del otro, ¿cierto?
Álvaro: Sí. Hay dos experimentos que son los dos más grandes, que pretenden un poco hacerlo todo. Y esos son los que van en búsqueda de nuevas partículas. Hay otros que están más especializados en estudiar determinadas propiedades que también nos interesan de las partículas de alta energía, pero se concentran en algún aspecto particular. Por ejemplo hay uno que se dedica a estudiar las diferencias entre materia y antimateria. Toda partícula que tiene una carga corresponde a una partícula con la carga opuesta, que es la antipartícula. Y, las cosas de las que nosotros estamos hechos son solo partículas. Pero el universo una vez, estamos convencidos, había mil millones más de partículas y antipartículas. Solamente que, en cierto sentido había mil millones más una partícula y sólo mil millones de antipartículas. De manera que todas se aniquilaron unas con otras y lo que sobrevivió es la materia nuestra, de la cual estamos hechos, que es una pequeña diferencia entre el comportamiento de la materia y el comportamiento de la antimateria, que por otra parte son casi idénticas.

Uno de los experimentos intenta avanzar en nuestra compresión de la pequeñísima diferencia entre la materia y la antimateria, que quizás sea la razón por la que nosotros podemos estar aquí y no nos hemos aniquilado contra un “antinosotros”, por así decirlo.

Otro experimento trata de recrear muy altas densidades, como las que existían en el universo cuando era muy, muy jovencito. El universo está en expansión, así que, cuando era más joven, todo en él estaba más concentrado. Había no solamente más densidad de partículas sino que cada una de ellas tenía mucho más energía. Y hay un experimento que intenta relativamente recrear esta sopa de partículas y antipartículas que era el universo cuando tenía una fracción de segundo o algo así.

Ángela: Lo cual me trae ahora a la que yo diría la mal llamada “Partícula de Dios”, el Bosón de Higgs. Cuéntanos un poco esta partícula teórica, qué esperan ustedes hallar, o lo interesante si no la encuentran.
Álvaro: Lo más interesante que sucede en la física es cuando estamos convencidos de algo que tiene que ser de una cierta manera y resulta que eso es falso. Por ejemplo, no encontrar esta partícula sería totalmente revolucionario, porque querría decir que estamos totalmente despistados sobre nuestro entendimiento del universo a un nivel muy fundamental. Naturalmente, si uno trata de decir “hicimos un descubrimiento estupendo, es decir, no hemos encontrado nada”, eso tiene muy mala publicidad; sería bastante difícil de vender como un resultado magnífico, pero es una de las posibilidades.

Esta partícula es, llamarla “Partícula de Dios” es un disparate al que forzó un editor a un famoso premio Nobel que escribió un libro sobre esta partícula. Es un grave error mezclar cosas que no son mezclables. Esta partícula puede existir o no existir, y eso es lo que intentamos estudiar. Esta partícula es muy particular, si se me permite decirlo así. Es diferente de todas las demás en el sentido de que creemos que es una vibración del vacío. El vacío, que es lo que queda cuando uno ha sacado todas las cosas que tiene en una habitación, ha apagado las luces, ha echado a la gente, ha quitado el aire, no queda nada, nada, nada, el vacío ese físico que uno ha producido, sabemos que no es realmente vacío. Hay una diferencia entre el vacío y la nada. El vacío tiene una entidad por sí mismo. Está permeado por una cosa que llamamos un “campo”, algo que puede moverse, que es el Campo de Higgs. Y si le damos una sacudida suficientemente gorda al vacio, entonces lo podemos hacer vibrar. Y las vibraciones del vacío corresponderán a esas partículas que llamamos la partícula de Higgs Así que la partícula de Higgs es una vibración del vacío. Y no tenemos ninguna otra partícula que sea así. Si queremos entender el vacío, que parece lo más sencillo de entender, y sin embargo es lo más complicado, tenemos que estudiar si existe esta partícula o no existe esta partícula.

Esto, que es el misterio más profundo quizás de la física a nivel de las cosas más pequeñitas, es también el misterio más grande del universo. El universo, sabemos por nuestras observaciones, que se está expandiendo hoy en día de una manera acelerada. Y esa aceleración creemos que es un efecto de la repulsión que un pedazo de vacío aquí puede hacerle a un pedazo de vacío allá. Así que el vacío tiene suficiente entidad, por así decirlo -no está suficientemente vacío- suficiente entidad como para repelerse a sí mismo. Y creemos que esta repelencia de un cacho de vacío a otro cacho de vacío por todas partes del universo es lo que crea esta acelerada expansión del universo; que es lo más misterioso de lo que sabemos sobre el universo es este efecto del vacío, y también lo más misterioso de la física de partículas es esta partícula que no hemos logrado crear, que es una vibración del vacío.

Así que, en las dos fronteras de la ciencia más extremas, la de lo más pequeño y la de lo más grande, estamos intentando estudiar la cosa que debería ser la más sencilla, pero que es la que peor entendemos, que es el vacío.

Ángela: Como dicen los fabricantes de aviones: avión que no sea bonito no vuela bien. Yo aplico este concepto a la elegancia matemática…háblanos de esta búsqueda de la simplicidad y la belleza para describir la naturaleza en un modelo fácil y como decíamos, sencillo, elegante.

Álvaro: Sorprendentemente, no sabemos por qué, a nivel muy fundamental las cosas son muy sencillas y matemáticamente digamos muy elegantes. No sabemos por qué esto es así, pero la búsqueda de la elegancia, que también llamamos a veces Unificación, que es el hecho de entender varias cosas en términos de un solo concepto, ha sido siempre una búsqueda que en la ciencia ha tenido éxito. Si buscamos la simplicidad no es por motivos estéticos sino por motivos de éxito. En el pasado el avance de la física ha sido siempre hacia conceptos más simples que explican más y más cosas en términos de menos y menos cosas. Eso es la estética, o la simplicidad que buscamos, y la buscamos porque al parecer las cosas son así. Y en el pasado nuestro progreso siempre ha sido en la dirección de entender más en términos de menos conceptos. Y por lo tanto no es una razón estética. Es tal vez una razón práctica.

Ángela: ¿Podrá el Colisionador de Hadrones darnos nueva información sobre las Ondas Gravitacionales?

Álvaro: No. Las ondas gravitacionales son algo cuyos efectos son tan débiles, que no lo podemos estudiar con este tipo de experimentos. Así que la respuesta es sencilla. La respuesta es no. A menos que nuestro entendimiento de la gravedad sea completamente falso, lo cual es posible. Es posible que haya más aspectos a la gravitación y a las ondas gravitacionales de los que por ahora hemos estudiado…una manera, si quieres que te lo diga, en la cual eso es posible, es que haya más de tres dimensiones de espacio.

Todos sabemos que el espacio tiene más de tres dimensiones, porque si estás en China y le quieres decir a un amigo que robe una manzana, le tienes que decir cuántos pasos tiene que dar hacia el norte, cuántos hacia el este y cuantos metros tiene que subir en el árbol y vuelve con la manzana. Si uno coge a alguien de una zona completamente distinta, como una selva en Colombia que no haya tenido más relación con el anterior, también concluirá que el espacio tiene tres dimensiones.

Sin embargo es posible que el espacio tenga más de tres dimensiones. Si las nuevas dimensiones -a diferencia de aquellas a las que estamos acostumbrados- son dimensiones interiores a cada punto del espacio, es posible que cada punto de manzana, cada pedacito de manzana que nuestros colegas han robado sea en realidad una especie de esfera que tenga sus dimensiones internas. Si esto es así, entonces aspectos de la gravedad podrían ser modificados. Y en esta posibilidad, que es muy optimista, es posible que este acelerador, si llegamos a las energías a las que estas cosas fuesen estudiables, es posible que nos de una respuesta sobre las ondas gravitacionales. Pero eso es lo que los americanos llaman un “long shot”: que al apuntar muy lejos es difícil que le de uno con la bala al pájaro. Pero en fin, todo es posible.

Ángela:¿Y qué hay de la teoría de cuerdas, entonces? ¿La echaría por tierra o todo lo contrario, según los descubrimientos del colisionador?
Álvaro: La teoría de cuerdas no es suficientemente concreta como para ser destruible. En este momento, es suficientemente adaptable, que ningún experimento del colisionador podría demostrar que es falsa. En cierto sentido es una teoría que todavía no es científica, porque todavía no hemos encontrado la manera de probar que es falsa. No es posible probar que nada es cierto porque las cosas que son ciertas lo son solo de manera aproximada. Sin embargo probar que algo es falso, eso sí es posible. Y una teoría es realmente una teoría científica, física, cuando sabemos la manera de demostrar que es falsa. Y hoy en día no tenemos una manera de demostrar que la teoría de cuerdas es falsa, y por lo tanto, todavía es una teoría más bien matemática que física.

Ángela: Tu trabajo en el Cern, ¿cómo va a cambiar ahora que comience a funcionar el LHC?
Álvaro: Mi trabajo, yo soy físico teórico: no hago los experimentos. Quizás los sugiero o los interpreto. El trabajo de un físico teórico, el mas interesante, es intentar entender algo nuevo que no entendemos. Eso es lo que yo espero, que encontremos ninguna de las cosas que estamos buscando, pero sí algo nuevo, inesperado. Ese es el momento en que la ciencia se vuelve realmente interesante: es cuando uno tiene un problema y no sabe la solución; es como resolver un sudoku en chino sin saber chino. Y es ahí donde la cosa se pone realmente interesante. Así que yo, lo que realmente espero que haga esta máquina, es encontrar algo totalmente inesperado. En cuyo caso, no sólo yo sino muchos tendremos algo con lo que nos divertiremos de verdad.

Ángela: Tú crees que el gran colisionador de hadrones es la oportunidad para informar e inspirar a la gente acerca de esta gran disciplina científica y su importancia?
Álvaro: Bueno, ocasiones de informar las hemos tenido desde siempre. Si la gente no está más informada, la gran parte de la culpa la tenemos nosotros, los propios científicos, que no hacemos el esfuerzo de invertir una parte de nuestro esfuerzo en informar de manera interesante y divertida de las cosas que hacemos. Porque las cosas que hacemos son interesantes y divertidas. Si no lo sabe todo el mundo es sobretodo culpa nuestra.

Y, una cosa que quería añadir, porque me has preguntado si quería añadir algo, es que cuando hay problemas nuevos, realmente difíciles de resolver, quienes los resuelven suelen ser los más jóvenes. Porque son aquellos que todavía no han desarrollado un gran número de perjuicios. En la ciencia, el ser joven y relativamente ignorante es una ventaja, no un inconveniente. Y por lo tanto, quienes finalmente tienes que estar apasionados por algo nuevo que buscamos, son los jóvenes, porque serán ellos probablemente quienes tendrán las ideas que nos harán entender las cosas que encontramos, Y no los que estamos un poco más maduros como yo, aunque mi voz no lo denota.

(risas)

Ángela: no lo denota.