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La
máquina del tiempo
El gran colisionador de hadrones europeo
Paula
Ibañez, Alberto Cantorné
Madrid
El
Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas
más potente que jamás se haya construido, acaba de iniciar
con éxito su andadura. Esta máquina colosal, quizá
el experimento más grande de la historia de la física,
genera enormes expectativas entre los científicos, que esperan
profundizar en la estructura de la materia y reproducir las condiciones
de los primeros instantes del universo.
«Hoy es un día histórico después de veinte
años de trabajo y esfuerzos de miles de científicos del
mundo», expresaba jubiloso el director del Laboratorio Europeo
de Física de Partículas (CERN), Robert Aymar, el pasado
10 de octubre ante un nutrido grupo de medios de todo el mundo. «Por
primera vez se ha conseguido que el acelerador aceptara las partículas
y que estas circularan», añadió. Horas antes, un
haz formado por millones de protones había logrado dar, por primera
vez, una vuelta completa al Gran Colisionador de Hadrones (LHC), un
gigantesco acelerador subterráneo, en el sentido de las agujas
del reloj. Y algo más tarde, otro haz de partículas lograba
recorrer todo el acelerador, en sentido contrario.
El éxito de este experimento fue celebrado con aplausos por los
numerosos científicos presentes. Yeso que la experiencia inicial
fue una simple vuelta de reconocimiento al enorme circuito subterráneo
de 27 km, para constatar que todo funcionaba. El haz de protones se
lanzó tramo a tramo, entre las ocho secciones del gigantesco
anillo, y tardó alrededor de una hora en recorrerlo, muy lejos
de las velocidades, próximas a la de la luz, que deberá
alcanzar en los próximos meses, cuando el acelerador esté
plenamente operativo. Para entonces, las partículas que recorrerán
el túnel darán unas 11.200 vueltas por segundo. La simple
constatación de que un sistema tan complejo funcionaba correctamente,
fue un enorme éxito, que explica
el entusiasmo de los científicos. El experimento, calificado
por algunos como la mayor aventura de la ciencia desde el alunizaje
de las naves Apolo, había requerido muchos años de trabajo,
un enorme esfuerzo económico y la colaboración de 10.000
científicos pertenecientes a casi un centenar de países.
¿Por qué tanto esfuerzo? ¿Dónde radica su
importancia?
El premio Nóbel de física Carlo Rubbia expresó,
tras la prueba inicial del LHC, algunas claves que recogen la trascendencia
de este experimento: «Ahora estamos en posición de poder
acercamos más y más atrás, al origen del Universo,
y de poder no sólo observar, sino simular, esos instantes».
El físico italiano añadió que «a pesar de
los grandes conocimientos que tenemos del Universo, desconocemos el
95 por ciento de la materia, y ahora tenemos el mecanismo para transformar
la teoría filosófica del Big Bang en física experimental,
lo que es absolutamente fantástico».
Hasta que el LHC funcione a pleno rendimiento se necesitarán
muchos meses de prueba y resolver problemas técnicos serios,
como la grave avería que ocurrió nueve días después
de la inauguración, cuando una pérdida de helio obligó
a revisar todo el circuito criogénico y a aplazar, hasta abril,
las primeras colisiones. Esto retrasará aún más
los esperados choques frontales entre protones a una velocidad próxima
a la de la luz, que reproducirán situaciones parecidas a las
de los instantes posteriores al Big Bang, hace más de
13.000 millones de años.
El LHC está instalado en un túnel de unos 27 kilómetros
de circunferencia, a una profundidad que oscila entre los 50 y los 150
metros, en la frontera entre Francia y Suiza. En este túnel estuvo
instalado, durante once años, el famoso LEP, que aceleraba electrones
y positrones (la antipartícula del electrón) hasta velocidades
cercanas a la de la luz, para hacerlos colisionar posteriormente. La
energía máxima conseguida por el LEP será, inicialmente,
multiplicada por 70 en el nuevo LHC. Este inmenso aparato acelerará
dos haces de protones en sentidos opuestos, hasta alcanzar más
del 99,9% de la velocidad de la luz. En un futuro, el LHC acelerará
núcleos atómicos de plomo, lo que permitirá multiplicar
por 82 veces la energía máxima producida en las colisiones
entre protones.
Los haces iniciales de partículas se crean en una cadena de aceleradores
que ya existían en las instalaciones del
CERN, y después se inyectan en el LHC, donde se van acelerando
a su paso por miles de imanes superconductores, enfriados hasta tan
solo un par de grados sobre el cero absoluto de temperaturas. Precisamente
en estos imanes superconductores, que producen un campo magnético
muy intenso, cien mil veces más poderoso que el terrestre, reside
la clave de la capacidad aceleradora del LHC. Para lograr la superconductividad,
es necesario sumergirlos en unos 700.000 litros de helio líquido
a unos 271 grados Celsius bajo cero.
Cada vez que los haces de núcleos se cruzan se producen alrededor
de veinte colisiones, pero como cada segundo se producirán unos
treinta millones de cruces, se generarán unos seiscientos millones
de colisiones por segundo. Estas colisiones de partículas relativamente
pesadas -protones o núcleos de plomo-, aceleradas casi a la velocidad
de la luz, generarán una ingente densidad de energía,
que recreará las condiciones en que se encontraba el universo
fracciones de segundo después del Big Bang. En este sentido,
el LHC es una máquina del tiempo, que nos ayudará a acercamos
a los primeros instantes del universo, y desvelar sus leyes básicas.
Parte de la gigantesca energía producida en las colisiones puede
transformarse en nuevas partículas, de acuerdo con la conocida
ecuación de Einstein, E=mc2, que explica la equivalencia entre
masa y energía. Las partículas generadas son muy inestables
y al desintegrarse originan una cascada de nuevas partículas,
cuyos rastros son registrados mediante cuatro inmensos detectores. Estos
detectores, llamados Alice, CMS, LHCb y Atlas, se encuentran en los
cuatro puntos de colisión del anillo. Su misión es, básicamente,
recoger los rastros de las partículas generadas para poder identificarlas.
El antecesor del LHC fue el LEP, que inició sus actividades en
otoño de 1989. Su principal contribución fue establecer
el cuadro de las partículas e interacciones fundamentales. El
LEP logró éxitos espectaculares, como producir bosones
W+, W- y Zo, que dieron un fuerte espaldarazo al Modelo Estándar.
Otro gran éxito fue demostrar que todas las partículas
elementales se agrupaban en un máximo de tres familias (la primera,
que compone la materia actual del universo, formada por los quarks up
y down, el electrón y el neutrino electrónico). Las valiosas
aportaciones del LEP consolidaron el Modelo Estándar, que ahora
está considerado como una teoría fundamental de la física.
Y, por si fuera poco, al final de su vida útil el LEP recogió
algunos indicios de la existencia del ansiado bosón de Higgs,
conocido como «la partícula divina», pero no fue
capturado. El detector Aleph, en septiembre de 2000, encontró
rastros que podrían pertenecer a esta partícula, cuya
masa se calculó en 114,9 giga electronvoltios (GeV). Los científicos
lograron una pequeña prórroga de actividad del LEP, para
seguir investigando ese rastro, pero dos meses después, en noviembre,
el LEP cerró definitivamente sus puertas, para iniciar su desmantelamiento
e instalar el actual LHC.
El
misterioso bosón de Higgs, que debe su nombre al físico
escocés Peter Higgs, quien postuló su existencia en 1964,
es conocido como "la partícula divina» porque, según
el Modelo Estándar, confiere la masa a las restantes partículas
elementales y resulta imprescindible para comprender el mundo subatómico.
La existencia de esta partícula permitiría explicar por
qué las partículas elementales tienen masa y por qué
las masas son tan diferentes entre sí. Si no existiera, habría
que revisar completamente los modelos actuales que utiliza la física
para explicar el Universo.
El vacío es uno de los conceptos peor conocido por los científicos.
Pensamos que el vacío es lo que queda cuando hemos extraído
todo el contenido de un recipiente, incluido el aire, pero el Modelo
Estándar prevé que hasta en el vacío más
extremo quedan cosas muy importantes. Se trata del campo de Higgs, que
se concreta en vibraciones del vacío. El LHC podrá explorar
una amplia región donde se supone que se encuentra la partícula
de Higgs, que es la pieza que falta para completar el cuadro del Modelo
Estándar. Uno de los principales objetivos del LHC es, precisamente,
cazar al bosón de Higgs y fabricarlo en cantidades suficientes
como para llegar a conocerlo a fondo. Los expertos consideran que, si
el bosón de Higgs existe, podrá detectarse en el LHC,
aunque es muy improbable que se pueda hacer un descubrimiento de ese
calibre antes de tres años.
Las
grandes preguntas de la física de partículas requieren
de grandes instalaciones donde se alcancen energías colosales
capaces de romper la materia y liberar sus constituyentes últimos.
Tras la exitosa historia del LEP, hay pocos aceleradores en el mundo
capaces de acercarse a las energías del Big Bang. El más
importante era el Fermilab, situado en Chicago, que se desactivara en
pocos años. De modo que el LHC es la estrella indiscutible de
los aceleradores actuales. No obstante, se siguen estudiando nuevas
formas de acelerar partículas que permitan un salto significativo
en la energía conseguida. Por ejemplo, ya se están desarrollando
nuevos aceleradores lineales, porque evitan pérdidas de energía
de las trayectorias circulares, y también se trabaja sobre la
posibilidad de construir uno circular pero de un tamaño mucho
mayor, unas ocho veces más largo, para generar una energía
mucho más elevada.
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) tratará de responder a
algunas de esas grandes preguntas que plantean los físicos de
partículas. Alguna, como la búsqueda del escurridizo bosón
de Higgs, pieza clave del Modelo Estándar, ya la hemos presentado.
Pero hay otros problemas que esperan respuesta para el momento en que
el LHC plenamente operativo:
Cuando la energía se transforma en materia, como debió
ocurrir en el Big Bang, se produce una partícula y su correspondiente
antipartícula, exactamente igual pero de carga eléctrica
opuesta. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es
el positrón, y cuando ambos colisionan, se aniquilan mutuamente
y generan energía. Lo lógico sería que hubiera
la misma cantidad de materia que de antimateria en el universo, pero
no es así. ¿Por qué el universo está hecho
de materia?; ¿qué pasó con la antimateria creada
simultáneamente en el Big-Bang?
Otro problema es confirmar los indicios de que existe en el universo,
en grandes cantidades, una materia que no está hecha de átomos,
pero que produce empuje gravitatorio. Los físicos la llaman materia
oscura, porque no emite luz. ¿Qué es esta materia? ¿De
qué está hecha? ¿En qué proporción
se encuentra respecto de la materia visible?
Hay otro gran problema que el LHC puede ayudar a analizar, y es el viejo
asunto de la gran unificación de las fuerzas de la naturaleza.
Es posible que el LHC permita avanzar hacia la unificación de
la teoría cuántica, que incluye el Modelo Estándar,
y de la relatividad general, que incluye la gravedad. Los físicos
trabajan sobre el concepto de súper simetría, para progresar
en esa unificación.
Pero la cuestión más atractiva para el no especialista
en física es saber qué ocurrió en los primeros
instantes del universo, en las millonésimas de segundo que siguieron
al Big Bang. En realidad, el Big Bang no ocurrió en un punto
determinado, sino que todo explotó al mismo tiempo. Algunas colisiones
en el LHC recrearán las condiciones del Big
Bang, con temperaturas extremadamente altas pero en un espacio muy pequeño.
Pero eso no quita emoción a la idea de acercarse a los primeros
instantes. El propio presidente del CSIC, Rafael Rodrigo, manifestó
tras la puesta en marcha del LHC que «tecnología y ciencia
se han puesto de nuevo de acuerdo y han hecho un instrumento científico
maravilloso, uno de los mejores que ha hecho el ser humano para poder
analizar, incluso, los principios del universo».
Buena
parte de la expectación suscitada por el LHC procede de la alarma
desatada cuando algunos científicos denunciaron que las colisiones
de gran energía en el LHC podrían generar agujeros negros,
que podrían poner en riesgo al planeta. El propio director general
del CIEMAT, Juan Antonio Rubio, ha insistido en tachar de absurdas las
advertencias de algunos científicos sobre la posibilidad de que
este colisionador de hadrones pueda generar agujeros negros que supongan
un peligro. «No hay ninguna base científica, es totalmente
falso y no existe el menor riesgo de que eso suceda», ha aclarado.
Los científicos del CERN ya advirtieron en un informe publicado
en agosto pasado que no existía ningún riesgo. Dicho documento
afirma que «durante los pasados miles de millones de años
la naturaleza ya ha generado en la Tierra colisiones equivalentes a
un millón de experimentos como los del LHC». «Y nuestro
planeta todavía existe», agrega el informe. «No hay
bases para preocuparse sobre las consecuencias de las nuevas partículas
o formas de materia que podrían producirse en el LHO..
No obstante, el informe admite que en el colisionador podrían
crearse agujeros negros microscópicos, pero no se parecerían
en nada a los que se crean cuando las estrellas se colapsan. Los mini
agujeros tendrían una vida muy corta y se evaporarían
antes de que la materia pudiera ser aspirada.
El
famoso Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN)
lleva más de medio siglo explorando la estructura íntima
de la materia. Como hemos visto anteriormente, sus valiosas aportaciones,
galardonadas varias veces con el Nóbel, han contribuido a consolidar
el Modelo Estándar, que ofrece un conocimiento integrado de la
materia. En el ámbito de las aplicaciones prácticas, otro
de los grandes logros del CERN fue la creación en 1990 de la
«world wide web», la popular red de Internet, que surgió
como un medio de intercambio de datos con otros laboratorios sobre los
resultados de sus experimentos. Ahora el CERN trabaja en la llamada
«Grid», una red que conecta a ordenadores de todo el mundo.
Se estima que es la única forma de analizar la ingente cantidad
de datos que proporcionará el LHC cuando funcione a pleno rendimiento.
España, como miembro del CERN, contribuye económicamente
a su mantenimiento y es el quinto país que más invierte
en sus proyectos de investigación. Pero en la construcción
del LHC, además de los científicos españoles destacados
en el CERN, también han intervenido varias instituciones y empresas
españolas.
Por ejemplo, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas
(CSIC) y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales
y Tecnológicas (CIEMAT) han estado implicados en este proyecto,
junto a muchas otras entidades científicas e investigadores de
un centenar de nacionalidades. El Instituto de Física Corpuscular
((HC) ha fabricado algunas de las piezas del detector Atlas. La Universidad
de Barcelona y la Ramón Llul se han encargado de diseñar,
produ¬cir, caracterizar y probar electrónicamente los fotodetectores
del detector LHCb. El CIEMAT ha diseñado parte de las cámaras
de muones del detector CMS, y también se ocupa del sistema de
computación para el detector Alice. La Universidad de Santiago
de Compostela colabora en el sistema de refrigeración y el ensamblaje
de los módulos de silicio de este detector.
Ciencia
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