Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

agosto 02, 2008

LHC: el mayor experimento de física

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en inglés) es el más ambicioso proyecto europeo para confirmar o replantear el modelo estándar de la física y situar a Europa a la vanguardia de la investigación del universo.

Desde 1931, una de las más importantes herramientas de los físicos en sus investigaciones sobre las partículas que forman nuestro universo han sido los llamados “aceleradores de partículas”. Estos aparatos, inventados por el físico estadounidense Ernest Lawrence en 1929, utilizan campos eléctricos para acelerar partículas cargadas eléctricamente hasta que alcanzan grandes velocidades y son lanzadas contra distintos “blancos”, que pueden ser otras partículas, trozos de materia, etc. Estos aceleradores pueden ser circulares o lineales, permitieron el descubrimiento de la antimateria, los quarks y la creación de elementos no existentes en la naturaleza.

El elemento esencial de un acelerador de partículas es la energía a la que puede llevar dichas partículas, sobre todo cuando se trata de replicar las condiciones de ciertos fenómenos cósmicos como las supernovas o el Big Bang, la explosión que dio origen a nuestro universo. Esto significa que los físicos requieren de aceleradores más grandes y potentes para continuar sus descubrimientos.

Sin embargo, los aspectos más complejos de la física de partículas no suelen ser fácilmente comprendidos por quienes toman las decisiones en los gobiernos. Esto dio como resultado un gran retraso en el avance de la física por causa de una decisión presupuestaria del Congreso de los Estados Unidos. En 1983, un grupo de físicos analizó la viabilidad técnica y económica de un acelerador circular capaz de acelerar dos haces de partículas cada uno a 20 TeV (tera electronvoltios, un electronvoltio es la energía que adquiere un electrón al caer en un diferencial de 1 voltio; una molécula común a temperatura ambiente tiene una energía de aproximadamente 1/40 de eV, y la fisión nuclear de un átomo de uranio 235 libera 200 millones de electronvoltios; un tera electronvoltio es un millón de millones de electronvoltios). En 1991, comenzó la construcción del que llamaron “Supercolisionador Superconductor”, con un coste estimado original de 4.400 millones de dólares que pronto se convirtieron en 12.000 millones, el aumento en costes aunado al colapso de la Unión Soviética llevaron a que el Congreso estadounidense decidiera, en 1993, cancelar el proyecto cuando ya se había excavado un túnel de 22,5 kilómetros de largo en el sur de Texas.

El lugar se vendió a una empresa privada que planea instalar un centro de datos en el colosal túnel, hoy desierto.

El retraso en los avances de la física de partículas que representó esta decisión apenas se recupera ahora que está por entrar en acción el Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). La energía a la que acelerará los dos haces de partículas es de 7 TeV, para un total combinado de 14 TeV, alojado en un túnel de 27 kilómetros de circunferencia en la frontera franco-suiza. En su diseño, financiamiento y construcción participan dos mil físicos de treinta y cuatro países, así como cientos de universidades y laboratorios. Y, con un retraso de dos años ocasionado en parte por problemas de fondos, hoy se está enfriando lentamente el sistema criogénico que permitirá que los imanes responsables de acelerar los haces de partículas actúen con máxima eficiencia como superconductores.

Todo esto, sin embargo, sólo es importante por lo que se puede aprender con el uso del LHC en seis experimentos que utilizarán los datos obtenidos de su funcionamiento. Al hacer chocar dos haces opuestos de protones o de iones de plomo (según el experimento) con energías similares a las alcanzadas en los primeros segundos posteriores al Big Bang, los físicos intentarán, entre otras cosas, producir el esquivo “bosón de Higgs”. Según el “modelo estándar” de la física de partículas que hasta hoy parece explicar todos los fenómenos, es decir, que parece ser correcto, predice la existencia de doce partículas elementales, de las cuales conocemos actualmente once. Los bosones son las partículas que fungen como mediadoras de las distintas fuerzas del universo, mientras que el bosón de Higgs, que aún no se ha observado, sería la partícula responsable de que otras partículas tengan masa. Esto permitirá igualmente determinar si el llamado “mecanismo de Higgs” para generar las masas de las partículas elementales se hace realidad en la naturaleza.

Igualmente, los físicos esperan poder hacer mediciones más precisas de las masas de los quarks, que son las partículas que conforman los protones y neutrones, para determinar si se confirma la Teoría Estándar o es necesario replantearla en alguna forma. Igualmente, pretenden empezar a averiguar por qué la gravedad es una fuerza tan tremendamente débil en comparación con las otras tres fuerzas fundamentales del universo (el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil).

Pero la más ambiciosa posibilidad que ofrece el LHC e es la de responder a una de las más profundas cuestiones de la física actual: ¿cuál es la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura? En realidad, cuando miramos al cielo con los ojos o con telescopios de radio, de rayos X, de radiación ultravioleta, etc., vemos únicamente un 4% de la masa que nuestros cálculos dicen que tiene el universo. La materia oscura, que no podemos ver pero cuya existencia conocemos por las relaciones gravitacionales del universo, compone el 22% del universo, mientras que los expertos calculan que un 74% de la masa del universo está formado por energía oscura. Llamamos “oscuras” a esta materia y energía como forma de destacar nuestra ignorancia, únicamente por darle nombre a algo de lo que desconocemos todo salvo su existencia.

Si el LHC pudiera, efectivamente, empezar a darnos respuestas sobre estos temas, su coste en términos de dinero sería el menos importante de los temas. Confirmar o transformar el paradigma de la física que nos explica todo cuanto existe en el universo, después de todo, es algo a lo que difícilmente se le puede poner precio.

Los números del LHC


El Gran Colisionador de Hadrones utiliza 1.232 imanes para guiar la trayectoria circular de los haces de partículas, 392 imanes de enfoque para mantener el haz enfocado y más de 6.000 imanes superconductores para acelerarlo en el anillo de 27 kilómetros de circunferencia en condiciones de vacío. Los imanes superconductores están enfriados a una temperatura de 1,9 grados Kelvin (es decir, a menos de dos grados del cero absoluto, más frío que el espacio exterior). El coste inicial presupuestado fue de 1.600 millones de euros y su coste final oscilará entre los 3.200 y los 6.400 millones de euros.

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