Apuntes científicos desde el MIT

Me preguntaron si yo sabía qué era la antimateria y contesté: “Sí, la materia formada por antipartículas”. “¿Y qué son las antipartículas?”, prosiguió mi contertulio. “Partículas como las que conocemos, pero con carga opuesta. Por ejemplo, un antiprotón es un protón con carga negativa”. Me detuve al darme cuenta que en realidad no entendía qué diantre era la antimateria…

Por suerte en casa de Antonio había un físico. Le preguntamos. Tras el típico “No es mi campo” logramos arrancar la siguiente explicación: “la antimateria es como la materia ordinaria, pero con partículas de carga contraria. Como el positrón, que es un electrón con carga positiva”. Y se quedó tan ancho. “¿Pero qué es? ¿de dónde salen estas partículas?”, insistimos. “Ya os he dicho que no era mi campo…”

Alguien sacó un iPhone y leyó la entrada de Wikipedia : “la antimateria se compone de antipartículas de la misma manera que la materia de partículas. Por ejemplo, un antielectrón (electrón con carga positiva) y un antiprotón (protón con carga negativa) podrían formar un átomo de antihidrógeno…”

Desesperado, al llegar a casa envié un mail a Gonzalo , físico de partículas que trabaja con el CERN , preguntándole cuando podíamos charlar por Skype.

Gonzalo Merino

Investigador del CIEMAT y coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España en el PIC de Barcelona.

Pere: Gonzalo, ¿qué es la antimateria?

Gonzalo: Es la materia hecha de antipartículas…

P: Espera!!! Ya se; como el antiprotón y el antielectrón. Pero ¿qué es un antiprotón? ¿de dónde sale? Yo quiero entenderlo a un nivel fundamental!

G: Pues entonces debemos remontarnos al 1928 y hablar de Paul Dirac. De hecho es una historia muy bonita. Paul Dirac era un genio, el típico físico teórico que se pone a hacer cálculos, y con sus ecuaciones predice la existencia de algo que nadie ha visto antes.

P: ¿La antimateria?

G: Sí, en ese momento sólo fue una predicción matemática. Su existencia real se observó años después.

P: ¿Como la búsqueda del bosón de Higgs con el LHC, que estáis seguros de su existencia a pesar de no haberlo visto todavía?

G: Exacto, pero lo de Dirac fue mucho más notorio…

P: ¿Cómo “descubrió” la antimateria?

G: Uff… es difícil de explicar. A ver… A principios del siglo XX había varias revoluciones en marcha en el mundo de la física. En 1905 Einstein presentó su relatividad especial, que daba lugar a la famosa E=mc² de las camisetas, según la cual la materia y la energía eran intercambiables. La otra gran revolución era la cuántica de Heisenberg, Bohr y compañía… que describía el comportamiento de las partículas subatómicas. Ambas funcionaban muy bien, pero eran teorías separadas.

Lo que Paul Dirac intentaba hacer era unirlas matemáticamente; crear una mecánica cuántica relativista. En concreto lo que pretendía era poder describir el electrón, lo más sencillo que uno se podía imaginar. Entonces… al combinar las ecuaciones de la relatividad y la cuántica le apareció la “ecuación de Dirac”, cuyo resultado describía el electrón. Pero había algo curioso: la ecuación de Dirac tenía dos soluciones matemáticas, una negativa (que era el electrón de toda la vida) y otra idéntica, totalmente simétrica, pero con carga positiva. Concluyó que si sus ecuaciones eran ciertas, en algún sitio debía existir una partícula idéntica al electrón pero con carga positiva.

P: wow… ¿y más tarde se descubrió?

G: Si, si… 4 o 5 años después de que Dirac los predijera se observaron experimentalmente los positrones (electrones positivos).

P: …

G: Claro! Y luego se buscaron el resto de antipartículas… Dirac lo hizo para el electrón, pero si las matemáticas establecían que la naturaleza debía respetar esta simetría, para un protón también debía existir un antiprotón. Y así para toda la materia. Es un postulado.

P: Pero a ver… yo tengo en frente mío un ordenador hecho de átomos, que están constituidos de protones, de quarks, de electrones… ¿aquí hay antipartículas también?

G: No, no… todo lo que nos rodea es materia, no antimateria. Imagino que tu querrías saber dónde están las antipartículas, no?

P: Qué perspicaces sois los científicos…

G: Entonces… Estoooo…. Big Bang!!!

P: Big Bang???

G: Sí! Big Bang.

P: Háblame del Big Bang…

G: Bien. Tal y como lo conocemos ahora, toooooodo empezó hace 13.700 millones de años, en una concentración de temperatura y densidad infinita. Al principio todo era energía concentrada en un punto. Luego cuando el Universo empezó a expandirse se fue enfriando, y por E=mc² cierta energía comenzó a transformarse en materia. Pero claro! Según lo que comentamos de Dirac, en teoría se formaron tanto partículas como antipartículas. Pero, y esto es muy importante, otra cosa que sabemos es que cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se anihilan y forman energía.

P: ¿y?

G: Vale. Si en el Big Bang todo hubiera sido absolutamente simétrico, la energía hubiera generado partículas y antipartículas por igual, que luego se hubieran destruido formando más energía hasta llegar a un cierto equilibrio térmico, en el que ni nosotros ni nada existiría. Entonces, el hecho que tengas delante un ordenador hecho sólo de materia nos dice que en el origen del Universo hubo algún tipo de asimetría entre materia y antimateria. Es decir, las leyes de la naturaleza contienen alguna asimetría que favoreció a la materia frente a la antimateria. Lo que sabemos ahora es que… a ver que no me equivoque de ningún cero… por cada mil millones de antipartículas se formaron mil millones más una partículas. Estos miles de millones se aniquilaron entre ellos, y las partículas “sueltas” de materia, las desapareadas, son las que empezaron a formar átomos, galaxias, tu ordenador y el mundo tal y como lo conocemos.

P: ¿Y esto sabéis seguro que fue así?

G: Sí, si… esto fijo, fijo. (risas). La prueba experimental viene del fondo de radiación de microondas.

Este fondo son los fotones que nos llegan del otro extremo del universo, que se originaron durante la aniquilación de la sopa de partículas y antipartículas. Hoy en día por cada partícula de materia que vemos en las galaxias, o donde sea, podemos contar mil millones de fotones del fondo de radiación de microondas.

P: Qué te iba a decir… por tanto, en principio ahora no queda nada de antimateria.

G: Bueno, la que los físicos creamos.

P: Explícate.

G: Es lo que se hace en el CERN, o en otros laboratorios de partículas. Hoy en día, si juntas suficiente energía en un punto puedes crear materia por la E=mc².

P: Y antimateria!

G: Claro, en cada colisión del CERN siempre se forman partículas y antipartículas. Las antipartículas se destruyen enseguida cuando chocan con las paredes del detector, pero nos da tiempo de registrarlas para estudiarlas.

P: En Ángeles y Demonios iban guardando la antimateria en una cajita para luego crear una bomba.

G: Ya, pero es imposible. Confinar antimateria es algo tremendamente complicado, porque se aniquila inmediatamente al encontrarse con cualquier átomo de materia. Se puede vonseguir con campos magnéticos, haciendo que no toque nada, pero es dificilísimo. Hay experimentos en el CERN que generan antielectrones y antiprotones, los enfrían hasta prácticamente frenarlos, los mantienen aislados de la materia, y llegan a construir átomos de antihidrógeno.

P: ¿Eso se ha logrado?

G: Sí, se han creado antiátomos de hidrógeno. Con ellos intentan averiguar cosas muy curiosas. Por ejemplo ¿cómo les afecta la gravedad? ¿caen hacia arriba o hacia abajo? ¿existe la gravedad negativa? A priori se deberían comportar igual… pero todavía no hay ninguna comprobación experimental.

P: Alucinante…

G: Sí, son experimentos pequeños pero muy cachondos. El LHC roba toda la atención del CERN, pero hay un montón de grupos pequeños haciendo investigaciones muy fundamentales, que podrían generar grandes sorpresas. Imagínate si contrariamente a lo esperado resulta que un antiátomo de hidrógeno sube por la gravedad en lugar de caer!

P: Fantástico. Entonces: tener para una bomba de antimateria queda descartado, no?

G: Totalmente. Porque aún suponiendo que se pudiera confinar, si el CERN se hubiera dedicado a guardar antimateria durante sus 50 años de historia, como máximo habría generado unos pocos nanogramos. Para fabricar la bomba de Ángeles y Demonios se necesitaría como mínimo un gramo. Tardaríamos mil millones de años en reunir esa cantidad. No tiene ningún sentido.

P: Oye, y lo del PET (Tomografía de Emisión de Positrones)?

G: Exacto. En la vida real también hay antipartículas, y el caso más típico es el PET que encontramos en los hospitales, que utiliza antipartículas para diagnosticar el cáncer.

P: ¿Cómo se generan?

G: Con radioactividad. Hay elementos que son radioactivos por naturaleza y se desintegran siguiendo una reacción nuclear. El PET es eso; te inyectan una sustancia radioactiva que al desintegrarse emite un positrón. Ese positrón inmediatamente encuentra un electrón de tu cuerpo y se aniquila generando energía, fotones. Lo que detecta el aparato son esos fotones, y con ellos genera una imagen del interior de tu cuerpo.

P: Qué grande la antimateria… Gonzalo, eres un crack.

Hace unas semanas leí un artículo titulado “asustados sin sentido” (scared senseless) en el Washington Post. Era la revisión de un libro en el que el epidemiólogo Geoffrey Kabat explica varios casos de “peligros” para la salud que han sido exagerados sobremanera a partir de estudios sacados de contexto. Los hay de simplones, como la relación entre llevar tacones y la esquizofrenia, pero también analiza otros más serios, como la alarma injustificada que se generó tras la publicación de un pequeño estudio en 1979 sugiriendo que los campos electromagnéticos generados por los cables de alta tensión y los electrodomésticos podían inducir cáncer. Kabat explica cómo los medios distorsionaron esa investigación y varios grupos activistas tergiversaron los resultados, pero también cómo muchos expertos vieron un filón para conseguir más financiación en sus propias investigaciones. Los propios epidemiólogos estuvieron mucho tiempo alimentando las dudas y lanzando frases del estilo “hacen falta más estudios” a pesar de que las pruebas no iban indicando riesgo alguno y los físicos aseguraban que el temor a dicha intensidad de radiación electromagnética era absurdo. Uno dijo: “es como temer que una hoja cayendo de un árbol te fracture el cráneo”.
Y seguro que si a ese mismo físico le preguntamos: ¿la posibilidad de que una hoja te fracture el cráneo es cero? Dirá que no, que es “prácticamente nula”, pero no se atreverá a asegurar que es un suceso científicamente imposible.

Pues bien, parece todavía mucho menos probable que el LHC genere un agujero negro que se trague la Tierra. Primero, porque los agujeros negros que se podrían crear durante las colisiones de partículas tienen poco que ver con la idea que nosotros tenemos de agujeros negros astronómicos que engullen todo lo que tienen a su alrededor. Cuando los físicos dijeron que en el LHC se podrían generar agujeros negros, quizás pecaron de ingenuos. Si a “eso” le hubieran puesto otro nombre, no existiría en este momento el pánico de que el LHC acabara con nuestro planeta. Pero aún aceptando que “eso” comparte algunas propiedades matemáticas con la idea de agujeros negros que los no-científicos tenemos, hay varios matices a tener en cuenta. Importante: con las condiciones del LHC es imposible crear un agujero negro astronómico. Sí hay sin embargo la posibilidad remota que en alguna colisión se genere lo que los físicos llaman “agujeros negros microscópicos”, pero aunque se produjeran, según las leyes de la física actuales se desintegrarían inmediatamente.
Aún en el hipotético caso que nuestras teorías sobre agujeros negros estén equivocadas y se pudiera formar un agujero negro microscópico estable, éste sería totalmente inocuo. Lo más probable es que se escapara inmediatamente de la Tierra sin interactuar con nada, y aunque tuviera carga y pudiera reaccionar con algún fragmento de materia, nunca llegaría a convertirse en un agujero negro astronómico que pudiera comerse la Tierra.

Estas son las conclusiones a las que muchísimos científicos han llegado tras analizar cuidadosamente todos los escenarios posibles, incluso considerando posibles errores en sus teorías. Ahora bien, ¿es imposible que todos estén equivocados? No, claro. ¿está justificado pedir que se detenga el LHC? (como anuncia el link que Manu puso en un comentario). Las opiniones en ciencia cuentan poco, y la mía en este caso todavía menos, pero me parece un nuevo caso de ruido científico todavía más exagerado que los descritos en el artículo de Kabat. Un ejemplo buenísimo de la “amnesia de fuente” que comentamos en este post : Todos hemos oído que esto puede ocurrir, pero casi nadie recuerda dónde. De hecho es probable que muchos de los que ahora albergan dudas sobre la seguridad del LHC se hayan enterado a partir de alguno de los tantísimos desmentidos que se han publicado. Si realizáis una búsqueda en Internet, la inmensa mayoría de textos sobre el LHC y los agujeros negros son explicaciones de porqué tales temores son infundados (como la que añadía Rubén).

Pero es importante, porque la opinión pública cuenta mucho a la hora de tomar decisiones políticas. Por eso no querría interrumpir la discusión del post anterior con uno nuevo de temática diferente, sino continuarla y quizás ampliar la reflexión sobre el origen de estas “desconfianzas a lo desconocido", aun cuando los científicos nos aseguran que no debemos preocuparnos. Reconozco que tenía el tema guardado desde que leí en este mismo periódico electrónico un artículo sobre los peligros del wifi, petición de regresar a los cables incluida…

Nota añadida:

Le pedí a Gonzalo Merino, físico que participa en el LHC y autor del post anterior, que nos diera su visión sobre el riesgo que suponen los agujeros negros microscópicos sin comprometerle a escribir una entrada formal.
Aquí está su contundente respuesta:

Respecto a las especulaciones aparecidas en algunos medios acerca del posible peligro de que al encender el LHC se cree algún gran cataclismo y la tierra se destruya, simplemente diría que son totalmente falsas e infundadas. Estoy convencido que para rebatir los argumentos de carácter fatalista y supersticioso que esgrimen aquellos que profetizan que el LHC traerá el fin del mundo, lo mejor que podemos hacer es seguir haciendo lo que hacemos siempre: usar el razonamiento científico. No voy a tratar aquí de desgranar todos los argumentos científicos que se han recopilado para demostrar que las profecías cataclísmicas no son más que eso: supersticiones carentes de cualquier base científica. Este blog es un foro científico, y los que os conectáis y participáis en él lo hacéis porque tenéis intereses y sensibilidad por la ciencia. Por tanto, pienso que lo mejor es poner a vuestra disposición el siguiente enlace en el que podéis encontrar todos estos argumentos, descritos de forma entendible (en inglés, eso sí) pero con absoluto rigor científico:

http://public.web.cern.ch/Public/en/LHC/Safety-en.html

Para aquellos que os dé pereza seguir el enlace, o leer el texto en inglés, yo destacaría muy brevemente uno de los argumentos que, desde mi punto de vista, es definitivo. Las colisiones de partículas que provocaremos en el LHC una vez este se ponga en marcha, es un fenómeno que sabemos que ha sucedido (y sucede) en la naturaleza constantemente. Los rayos cósmicos son partículas que se producen en algún lugar del espacio, se aceleran hasta energías que pueden ser muy superiores a los 14 TeV que tendrán las colisiones del LHC, y que finalmente llegan a la Tierra donde interaccionan con la atmósfera. Desde que la Tierra existe, la naturaleza la ha bombardeado con tantos rayos cósmicos como si hubiéramos ya hecho un millón de LHCs. Lo que va a suceder en el LHC no es nada que la naturaleza no haya hecho ya, y siga haciendo, millones de veces. Y la tierra sigue existiendo.

Espero sinceramente que los argumentos científicos sean convincentes para todos vosotros. El LHC es el resultado del trabajo conjunto de decenas de países, que representan a millones de personas de todo el mundo. Sería lamentable que alguien se quedara con la idea de que responde al capricho de cuatro científicos egocéntricos, sólo por haber escuchado rumores de Apocalipsis sin fundamento.

Gonzalo Merino

Coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España

Port d’Informació Científica, Bellaterra (Barcelona)

La semana que viene empieza un experimento muy especial. Los científicos acelerarán protones hasta prácticamente la velocidad de la luz y harán que colisionen entre ellos generando la mayor concentración de energía nunca antes conseguida.
Con ello esperan descubrir nuevas partículas subatómicas, averiguar si existen otras dimensiones, de qué está hecha la materia oscura, cuál es el origen de la masa, qué ocurrió durante el Big Bang, porqué desapareció la antimateria, y si el modelo estándar utilizado por los físicos durante los últimos 40 años es correcto, o les tocará volver a empezar de cero.
Si me permito tal simplificación es porque a continuación os dejo con un fabuloso texto escrito para este blog por Gonzalo Merino, uno de los 6000 científicos que participan en este experimento,

Mensaje a los neófitos:
Muchos de los que empecéis a leer estas líneas no habréis oído nunca hablar de bosones de Higgs, de fermiones, o de partículas W. De verdad espero que esto no os cohíba. No pretendáis asimilar todos los detalles del texto a la primera, pero sí os animo a dedicarle un pequeño esfuerzo e intentar adquirir como mínimo una perspectiva general del LHC ¿Por qué me atrevo a sugeríroslo? Por dos razones.
Primera: El LHC no es un experimento cualquiera. Quedará inscrito en los libros de historia de la ciencia, y nosotros tenemos la oportunidad de seguirle la pista en directo. Durante los próximos 10 años oiremos hablar mucho del LHC y de los grandes enigmas de la física que quizás resolverá. Vale la pena empezar a familiarizarnos con él.
Segundo: El artículo que Gonzalo Merino nos ofrece es buenísimo. Está escrito con un lenguaje sencillo, sin más tecnicismos de los necesarios, y presenta los verdaderos aspectos clave a tener en cuenta para poder inmiscuirse en esta aventura.
No os robo más tiempo, os dejo con el texto y la posibilidad de utilizar los comentarios para transmitir vuestras dudas y entablar conversación directa con Gonzalo, investigador del CIEMAT y coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España en el PIC de Barcelona.

El Large Hadron Collider, por Gonzalo Merino

En el Laboratorio Europeo de Partículas (CERN ), cerca de Ginebra, está a punto de ponerse en marcha el acelerador de partículas más potente del mundo: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC , por sus siglas en inglés). Según el reciente anuncio hecho por el laboratorio, el 10 de Septiembre será la fecha en la que se harán circular los primeros haces de partículas. La cuenta atrás ha comenzado.

La construcción del LHC ha sido una tarea titánica en la que han trabajado miles de físicos e ingenieros de más de 80 países durante 20 años y en la que se han invertido del orden de 7.000 millones de Euros.

La idea de este experimento parece en principio sencilla. Se trata de acelerar protones hasta que alcancen una energía muy alta, para entonces hacerlos chocar entre si y observar qué sucede. Visto así, no parece demasiado complicado.

Los protones se acelerarán hasta que alcancen un 99,999999% de la velocidad de la luz. Esto, en la jerga de los físicos de partículas, equivale a una energía de 7 TeV (7 mil millones de electronvoltios ). La energía total en cada colisión entre dos protones por tanto será de 14 TeV. Esta es la energía más alta jamás alcanzada por un colisionador de partículas construido por el hombre. Siete veces mayor que la del colisionador más potente actualmente operativo: el Tevatron en Fermilab , cerca de Chicago.

Para dar una idea intuitiva de esta escala de energía, a veces se explica que 1 TeV es aproximadamente la energía cinética que tiene un mosquito volando. Pero no creo que esta comparación ayude demasiado a hacerse una idea de lo que pasa en el interior del LHC. Para entender lo extraordinario de esta máquina hay que notar que en el LHC toda esta energía estará concentrada en un espacio extremadamente pequeño, ya que el tamaño de un protón es un trillón (un 1 seguido de 18 ceros) de veces menor que un mosquito. En definitiva, que la comparación es en si misma un reto a nuestra capacidad de abstracción: hay que tratar de estrujar un mosquito 18 órdenes de magnitud, sin que deje de volar, claro.

Para tratar de imaginar lo que sucede en el LHC creo que es mejor pensar en el origen del Universo. Al fin y al cabo, los físicos que trabajamos allí decimos muchas veces que eso es justamente para lo que sirve el LHC: para explorar los primeros instantes del Universo.

La teoría actual del origen del Universo nos dice que todo empezó con lo que se suele llamar la Gran Explosión (el Big Bang en inglés). Este apelativo metafórico nos incita a pensar en un instante inicial muy “ruidoso”, una especie de fuegos artificiales, pero el Big Bang empezó en silencio, y sería más adecuado imaginarlo como una “explosión” en la que se crean el espacio y el tiempo. Si tratamos de entender ese instante con la teoría de la Relatividad General nos encontramos con una singularidad, un universo primigenio en el que la temperatura y densidad eran infinitas. Estas condiciones extremas son imposibles de imaginar, por lo que seguramente indican que nuestras teorías no son válidas para extrapolar hasta el mismo momento inicial.

A partir de ese momento el Universo se empezó a expandir rápidamente y a medida que crecía su tamaño se iba “enfriando”, o lo que es lo mismo, la energía de las partículas que contenía disminuía. Cuando sólo había transcurrido una milmillonésima de segundo después del Big Bang, el universo tenía una temperatura aproximadamente 100.000 veces superior a la del Sol y las partículas fundamentales que lo habitaban chocaban constantemente entre ellas con energías aproximadamente de 14 TeV. Estas condiciones son precisamente las que se quieren reproducir en el LHC. Al hacer colisionar partículas a 14 TeV, lo que queremos es entender qué sucedía en el Universo sólo una milmillonésima de segundo después del Big Bang.

No deja de ser curioso que para “ver” el origen del Universo lo tengamos que hacer construyendo una máquina tan complicada en un túnel subterráneo en Ginebra. Pero es que conocer el pasado del Universo nunca ha sido tarea fácil. Sabrá tal vez el lector que cuando miramos hacia el espacio estamos viendo de hecho cómo era el Universo en el pasado, ya que la velocidad de la luz es finita y ésta tarda un cierto tiempo en llegar desde las estrellas hasta la Tierra. La otra forma que tenemos por tanto de explorar el origen del Universo es mirar objetos muy distantes en el espacio. Pero veremos que usando esta técnica nos acabaremos encontrado una barrera infranqueable que impedirá que nos acerquemos al Big Bang todo lo que nos gustaría. El LHC nos permitirá cruzar esa barrera y mostrarnos un Universo mucho más joven que el que jamás podremos ver mirando al espacio.

La luz más lejana que podemos detectar es la conocida como Radiación de Fondo de Microondas. Por este motivo cuando el satélite COBE primero y más recientemente WMAP analizaron con detalle esta radiación, los titulares de los periódicos dijeron que se había tomado una fotografía de “la infancia del Universo”. Esta Radiación de Fondo nos llega directamente desde un momento especial en la historia del Universo, cuando éste sólo tenía unos 380.000 años de edad. En aquel momento la temperatura era de aproximadamente 3.000 grados Kelvin, lo suficientemente baja como para que protones y electrones se combinasen para formar átomos neutros de hidrógeno. Como consecuencia de esto los fotones, hasta ese momento atrapados en la interacción con las partículas cargadas, pudieron recorrer el espacio libremente, sin obstáculos. Se dice que en este instante el Universo se volvió transparente. Antes de que esto sucediera, era opaco a la radiación electromagnética. Es por eso que la imagen directa más antigua que podemos obtener del Universo es la que nos muestra la Radiación de Fondo de Microondas.

Así pues podemos pensar en el LHC como una máquina del tiempo, que nos permitirá explorar el Universo tal y como era hace miles de millones de años, fracciones de segundo después del Big Bang, mucho antes de que se volviera transparente a la luz y nos permitiese fotografiarlo directamente con instrumentos como WMAP.

Construir una máquina que reproduce las condiciones del Universo cuando éste sólo tenía una milmillonésima de segundo de vida es una actividad interesante en si misma. Pero los gobiernos de decenas de países no se han gastado miles de millones de Euros sólo para ver cuánto eran capaces de acercarse al Big Bang. El interés del LHC es que, al reproducir esas condiciones extremas del Universo primordial, nos puede ayudar a responder algunas de las preguntas sobre cuáles son las leyes fundamentales de la naturaleza para las que aún no tenemos respuesta.

Actualmente sabemos que toda la materia que conocemos está formada por 12 piezas básicas que llamamos “partículas elementales” y que hay cuatro fuerzas distintas que describen las interacciones entre éstas: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitatoria. Podemos interpretar estas interacciones entre partículas de materia como el intercambio de otro tipo de partículas: las partículas portadoras de la fuerza. Así, cada una de las fuerzas fundamentales tiene su partícula portadora correspondiente. El portador de la fuerza nuclear fuerte es el “gluón”, el de la fuerza electromagnética es el “fotón” y las partículas W y Z son las responsables de la fuerza nuclear débil. Finalmente, aunque todavía no ha sido observado, el “gravitón” debería ser la partícula portadora de la fuerza gravitatoria.

Las partículas de materia y las de fuerza pertenecen a dos grupos bien diferenciados: las 12 que forman la materia son “fermiones” y las cuatro que son transmisoras de la fuerza son “bosones”. La diferencia entre ambos se encuentra en una propiedad cuántica de las partículas llamada espín, que se asocia al momento intrínseco de rotación de las mismas. Los fermiones (la materia) tienen espín fraccional mientras que los bosones (los portadores de las fuerzas) tienen espín entero.

Además de conocer cuáles son las partículas fundamentales, disponemos también de una teoría físico-matemática que describe de forma extremadamente precisa como interaccionan estas partículas mediante tres de las cuatro fuerzas: el Modelo Estándar . La fuerza gravitatoria, curiosamente la que estamos más acostumbrados a sentir en nuestro día a día, se resiste aún a ser descrita de forma unificada junto a las otras tres en una teoría global.

El Modelo Estándar nos proporciona la ecuación que, si dispusiéramos de suficiente capacidad de cálculo, nos debería permitir calcular todo lo que sucede en el Universo. Para que las matemáticas de esta teoría funcionen, sin embargo, es necesario que exista una nueva partícula que todavía no ha sido descubierta: el bosón de Higgs. Este nuevo elemento es el responsable de que todas las partículas tengan masa. Dicho de otro modo, con el bosón de Higgs la masa de cada partícula deja de ser un parámetro fundamental (puesto “a mano”) de la teoría y pasa a ser simplemente una medida de la intensidad de su interacción con los bosones de Higgs que la rodean y que llenan todo el espacio.

Si este bosón de Higgs existe, tal y como predice el Modelo Estándar, sabemos que ha de aparecer en el LHC. La teoría no nos dice exactamente dónde lo encontraremos, pero lo que sí nos dice de forma indirecta es que tiene que estar dentro del rango de energías que el LHC va a explorar. Por lo tanto, si el Higgs no aparece nos veremos obligados a aceptar que el Modelo Estándar, la teoría que tan bien ha funcionado en los últimos 40 años, es incorrecta y ha de mejorarse. Aun así esto no sería un fracaso, puesto que si sucede dispondremos de la máquina adecuada para guiarnos en la tarea de encontrar una nueva teoría: el LHC.

Más allá de descubrir el bosón de Higgs y completar así la pieza que parece faltar en nuestras ecuaciones, también esperamos que el LHC nos ayude a responder otras preguntas fundamentales para las que tampoco tenemos respuesta.

Para encontrar estas preguntas no hace falta que retrocedamos en el tiempo 13.700 millones de años. El Universo, tal y como lo vemos hoy en día con nuestros telescopios, muestra un aspecto totalmente misterioso para el que todavía no tenemos explicación. Varias observaciones astronómicas y cosmológicas indican que la materia que somos capaces de observar (planetas, estrellas, galaxias ...) representa tan sólo un 5% de todo el contenido del Universo. El 95% restante está formado por alguna substancia desconocida para nosotros, e invisible.

De hecho sabemos que no hay una sino dos sustancias misteriosas. La primera de ellas formaría aproximadamente el 25% del Universo y es la que llamamos “Materia Oscura”. Esta es materia que no interacciona con la fuerza electromagnética pero que tiene masa y por tanto nos permite detectar su efecto gravitatorio de atracción respecto a la materia visible. La segunda de estas substancias invisibles es la más misteriosa de las dos. Seguramente es por eso que han decidido bautizarla como “Energía Oscura”, al más puro estilo Star Wars. Sabemos que esta Energía Oscura supone el 70% de toda la energía del Universo.

Una hipótesis que se plantean algunos científicos es que la “Materia Oscura” esté formada por un nuevo tipo de partículas llamadas “supersimétricas”. Según la teoría de la Supersimetría, cada una de las partículas que hoy conocemos tendría una “compañera” supersimétrica idéntica pero con espín distinto: los súper-compañeros de los fermiones serian bosones, y viceversa. Uno de los atractivos de esta teoría es que, de forma natural, predice que las fuerzas electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte tenían la misma intensidad en algún momento en el pasado del Universo. De este modo, abre la puerta a la idea de que dichas fuerzas sean tan sólo diferentes manifestaciones de la que fue originalmente una única fuerza. Por otro lado, esta teoría predice la existencia de toda una colección de nuevas partículas (para cada partícula conocida, una nueva súper-compañera) que aún no han sido detectadas. El LHC podría ser la máquina que encuentre algunas de estas nuevas partículas supersimétricas y alguna de ellas, como el neutralino , podría reunir las condiciones necesarias para ser un candidato a formar la enorme cantidad de Materia Oscura que sabemos que contiene el Universo.

En cuanto a la Energía Oscura, prácticamente lo único que sabemos es que está distribuida de forma homogénea y genera una fuerza repulsiva que tiende a acelerar la expansión del Universo. Esta energía se suele asociar al vacío, sugiriéndonos que “el vacío” es muy distinto de “la nada”. Si tratásemos de hacer el vacío completo en un espacio, eliminando de él toda la materia y toda la radiación, ahora sabemos que al final nuestro vacío siempre contendría una cierta densidad de Energía Oscura intrínseca: vacío repeliendo al vacío.
No está claro hasta qué punto el LHC podrá dilucidar el misterio de la Energía Oscura. Tal vez exista alguna relación entre esta extraña forma de energía del vacío y el bosón de Higgs, o la supersimetría, y si es así seguramente el LHC nos ayudará a entenderla.

Hasta aquí hemos hablado de algunas de las cosas que se esperan descubrir con el LHC, pero casi no hemos explicado qué aspecto tiene la máquina. Este acelerador es un anillo formado por imanes superconductores situado en un túnel de 27 kilómetros de perímetro y enterrado 100 metros bajo tierra. La temperatura a la que operan los imanes es tan sólo de 1.9 grados Kelvin. Por lo tanto, el anillo del LHC estará más frío que el espacio exterior. Por este anillo se harán circular haces de protones en sentidos opuestos que se harán cruzar en cuatro puntos, generándose así mil millones de colisiones protón-protón por segundo. En estos puntos se han construido cuatro gigantescos detectores de partículas que servirán para registrar con gran precisión los productos de estas colisiones: ATLAS , CMS , LHCb y ALICE .

ATLAS por ejemplo es el mayor detector de partículas jamás construido, es tan grande como un edificio de cinco plantas. CMS es más compacto pero es el más pesado, con sus 12.500 Toneladas pesa casi el doble que la Torre Eiffel. Hay multitud de detalles técnicos en cada una de estas máquinas que las hacen apasionantes. La exploración de algunos de ellos la podemos dejar para otro post en el futuro.

Gonzalo Merino
Coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España
Port d’Informació Científica, Bellaterra (Barcelona)
http://lhcatpic.blogspot.com