Posteado por: Samuel Tarazona | 17 mayo, 2010

Gran Colisionador de Hadrones: El Big Bang en nuestras manos

La física contemporánea es un campo en el que mayormente se ha trabajado a través de modelos matemáticos, llegando a deducciones que son confirmadas o no a través de demostraciones abstractas hechas por otros físicos usando asimismo modelos matemáticos. Es de ese modo como Albert Einstein dedujo las Teorías de la Relatividad, Stephen Hawking hizo sus hallazgos en el campo de los agujeros negros y como la física cuántica definió sus fundamentos. Debido a la naturaleza de sus estudios y al nivel en el que se encuentra la tecnología al momento de realizarlos, los físicos teóricos no siempre pueden corroborar sus hallazgos a través de la experimentación sino en base de los modelos matemáticos mencionados anteriormente. Sin embargo, y siguiendo el método científico, la única manera de validar o no una teoría física es a través de la experimentación y es aquí donde el avance tecnológico encuentra sus principales desafíos.    

Específicamente en la física cuántica los aceleradores de partículas han tenido un papel determinante al momento de dar validez o no a una teoría o modelo físico, verificando la existencia de partículas predichas por un modelo o hallando nuevas que llevan a ajustar dicho modelo. Aún así hay partículas predichas por el modelo estándar de la física cuántica que no han podido ser verificadas experimentalmente en los aceleradores de partículas que se han estado utilizando desde el siglo pasado y es aquí donde cobra importancia la construcción del Gran Acelerador de Hadrones (LHC por las siglas en inglés de Large Hadron Collider) que fue puesto en marcha el año pasado y que sin lugar a dudas es la máquina más compleja construída por el hombre, la más avanzada tecnológicamente y donde se han puesto las esperanzas de miles de científicos que se desenvuelven en el campo de la física cuántica.    

El Tevatrón del Fermilab era el más potente colisionador.

Existen varios tipos de aceleradores de partículas pero básicamente el funcionamiento de los mismos implica utilizar dispositivos electromagnéticos para acelerar un haz de partículas a velocidades cercanas a la de la luz y hacer colisionar éstas partículas contra un objetivo estacionario o contra sí mismas en el caso de dispositivos que aceleren haces de partículas en direcciones contrarias (la energía de la colisión en este último caso es mucho mayor que en el primero) Las colisiones que producen resultados más interesantes para efectos de estudio son las que se producen a más altas energías ya que es ahí donde hay mayor probabilidad de que aparezcan partículas que se encontraban al inicio de la formación del universo y que son las más buscadas por los científicos para comprobar el modelo estándar de la física cuántica que predice la existencia de cierto tipo de partículas como el llamado campo o bosón de Higgs por ejemplo, que en el modelo sería el responsable de dar masa a las demás partículas. El LHC es además, el acelerador más potente jamás construído y cuando se le utilice al máximo de su potencia podrá realizar colisiones a 14 TeV (7 TeV por cada haz de partículas) lo cual es muchas veces más energía que la del Tevatrón del Fermilab (el más potente acelerador hasta ahora) que podía realizar colisiones a 2TeV, por ello la expectativa por los descubrimientos que se puedan hacer en el LHC es muy alta entre la comunidad científica. Si bien estas energías no significan mucho para nosotros (se suele comparar los 14 TeV del LHC con la energía del batimiento de las alas de un mosquito) el LHC concentra esta energía en el espacio que ocupa una partícula subatómica y eso es lo que lo hace impresionante.    

Disposición del LHC entre las fronteras de Francia y Suiza (click para ampliar)

El LHC cuenta con una circunferencia de 27km situada a 100 metros bajo tierra y se compone de varias fases que constituyen a su vez distintos experimentos.. En cada fase la energía se va incrementando y en cada una hay detectores que van recogiendo información relevante para cada experimento específico que será analizada luego por diferentes equipos de científicos alrededor del mundo. Los principales experimentos son ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (Large Hadron Collider beauty), LHCf (Large Hadron Collider forward) y TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) cada uno de ellos con una misión específica pero los principales objetivos del complejo en general son encontrar el bosón de Higgs y confirmar la supersimetría del universo. En el primer caso se trata de confirmar la teoría mediante la cual el universo contiene un “campo” con el que interactúan las partículas más básicas (aquellas sin una estructura interna conocida) y según la fuerza de esta interacción las partículas obtendrán menor o mayor masa conformando el universo tal como lo conocemos. Este campo estaría compuesto por una partícula llamada bosón de Higgs (por Peter Higgs el físico que la propuso a mediados de la década de 1960) y que apareció luego del Big Bang. Las colisiones en el LHC recrearán hasta cierto punto lo que sucedió momentos después del Big Bang y podrían generar dicha partícula lo cual confirmaría las teorías que se tienen hasta el momento sobre la formación del universo. La otra teoría por confirmar es la llamada supersimetría del universo. Es conocido que la materia observable solo compone el 4% de la totalidad del universo. La teoría de la Supersimetría explica, en resumen, que por cada partícula conocida existe otra partícula supersimétrica lo cual explicaría parte de la materia “faltante” en el universo. Existe además la posibilidad de que el LHC encuentre las partículas o fenómenos responsables de la materia oscura y la energía oscura que conforman más del 90% del universo y de cuya naturaleza se sabe poco. El otro misterio que ayudaría a resolver el LHC es el de la antimateria y porqué ésta fue aniquilada por la materia luego de la formación del universo.    

Uno de los gigantescos detectores del LHC (click para ampliar)

Se ha hablado de los riesgos que existen para la propia existencia del hombre, del planeta y del mismo universo por el hecho de poner en funcionamiento una máquina tan compleja debido a que los niveles de energía que desarrollará nunca han sido producidos en un laboratorio y la colisión de partículas a éstas altas energías puede generar fenómenos que aún no son comprendidos por la ciencia y que pueden ser potencialmente peligrosos. Por ejemplo, existe la teoría de que las colisiones en el LHC podrían generar pequeños agujeros negros que de estabilizarse crecerían en tamaño hasta poner en peligro a todo el planeta. La radiación generada podría escaparse y contaminar las regiones circundantes al complejo. La creación de materia exótica estable, de monopolos magnéticos (partículas con un solo polo magnético que causarían el decaimiento de los protones) o de burbujas de vacío son otras preocupaciones dado que en teoría todas ellas pueden ocurrir. Los encargados del CERN (el centro encargado de la construcción, administracion y funcionamiento del LHC) han informado a través de un documento que ninguna de estas preocupaciones tienen fundamento y no pueden ser producidas por el LHC debido a que la energía requerida tendría que ser mucho mayor; además cuenta el hecho de que muchos de estos fenómenos ocurren a diario en el universo y este no ha dejado de existir. De hecho la Tierra es bombardeada y atravesada por partículas y fenómenos de mucha mayor energía a cada momento y no ha sucedido nada grave.     

Los tomógrafos por emisión de positrones se basan en aceleradores lineales de partículas

Otra crítica que se le hace al LHC es el costo del mismo y que este dinero hubiera tenido mejor uso de haber sido destinado a obras de bien social o a combatir enfermedades o hambre en otras partes del mundo en vez de usarlo en un experimento científico que poco o nada van a beneficiar a la humanidad en su vida diaria. El proyecto comenzó a gestarse en la década de 1980 pero recién se aprobó y comenzó a construir a mediados de 1990 cuando los fondos fueron aprobados y transferidos desde todas las naciones participantes siendo el costo total del proyecto superior a 6 mil millones de dólares gastados en más de 10 años de construcción. Si comparamos estas cifras sin embargo con lo que se gasta en otro tipo de programas mucho más cuestionables como el militar estos importes resultan insignificantes. Por ejemplo el gasto en armamento sólo en América Latina superó los 60 mil millones de dólares en el 2009 encontrándose en esta región algunos de los países más pobres del mundo. Tampoco es enteramente cierto que los experimentos del LHC serán inservibles para la humanidad. En el pasado experimentos en aceleradores de partículas ayudaron al avance de equipos de diagnóstico médico como la tomografía por ejemplo. La necesidad de interconexión entre los equipos de científicos alrededor del mundo evolucionaron hasta convertirse en la moderna internet. Es sabido además que muchos de los fundamentos científicos detrás de los dispositivos tecnológicos y maquinarias que usamos a diario se deben a la investigación hecha por científicos en campos en los que originalmente no había aplicaciones prácticas como el electromagnetismo.    

Es de esperar que alguno de los avances tecnológicos necesarios para construir y operar el LHC redunden en algún momento en beneficio directo o indirecto a la sociedad pero ya sería bastante conque ayude a desentrañar los misterios que se encuentran en la naturaleza misma del universo que habitamos.

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Responses

  1. Aun asi, la energia del LHC es pequeña para poder ver particulas subsistan en los limites del tiempo y la energía de Plank.
    Interesante artículo, primera vez que leo de lo que esta compuesto el CERN, el mejor laboratorio de particulas subatomicas del mundo. Muchas gracias!
    Respecto a los experimentos mentales, nuestra limitación de concentrar gran cantidad de energia en una particula a un es grande, por lo que quizá los experimentos mentales de los fisicos teóricos aun sigan siendo la unica ruta para avanzar en esta rama.

  2. Tienes razón, en los albores de la mecánica cuántica la falta de medios técnicos para comprobar experimentalmente las teorías hizo que, al menos por una época, ciencia y filosofía se unieran para tratar de resolver los planteamientos de esta nueva física y así surgieron algunos de los más interesantes experimentos mentales. Tal vez los más conocidos sean el del “gato de Schrödinger” o la “paradoja de los gemelos”. Hoy en día con el avance tecnológico se ha regresado a la experimentación aunque aún quedan campos de la ciencia como la inteligencia artificial donde el debate filosófico está muy presente.

  3. Leyendo el post me viene a la mente la discusión que hubo de Einstein y los teóricos de la física cuántica. Einstein consideraba que la mecánica cuántica no era la última explicación de la realidad y creó la llamada “teoría de las variables ocultas”, la cual sólo pudo ser contrastada en los años ochenta luego de que fallaran muchos experimentos en base a la “Desigualdad de Bell”. Lejos están los días en que las discusiones se basaban en los llamados “experimentos mentales” (gedankenexperiments).


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