Posteado por: Fe | 23 julio, 2010

El Gran Colisionador de Hadrones: a la búsqueda del bosón de Higgs

Esta inmensa máquina ayudará a comprender mejor el universo y las partículas que lo componen y que lo originaron

Viaje al interior del Gran Colisionador de Hadrones

Margarita Rodríguez

BBC Mundo

Para muchos científicos, el Consejo Europeo de Investigación Nuclear (CERN), donde se encuentra el Gran Colisionador de Hadrones (a las afueras de Ginebra, en la frontera franco-Suiza, tiene 27 km de circunferencia), es una especie de país de las maravillas, donde la pasión por la ciencia es el conejo blanco que, de seguirlo, los llevará a grandes descubrimientos.

Fue en este laboratorio europeo, considerado el mayor recinto dedicado a la física de partículas del mundo, donde nació internet.

“Debajo de nosotros están ocurriendo millones de colisiones de protones a una velocidad muy cercana a la de la luz”

Gerardo Herrera, físico mexicano

Video: Experimento del CERN
Esa mañana, el clima estaba de nuestro lado, aunque no el estacionamiento del CERN. Era de suponerse: estamos hablando de una organización que agrupa a 10.000 científicos e ingenieros de 80 países, así que encontrar un lugar para aparcar no fue tan sencillo.

En los últimos años, la popularidad de este centro ha aumentado por la puesta en funcionamiento del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), una máquina en forma de anillo que mide 27 kilómetros de longitud y que está a una profundidad que oscila entre los 50 y los 150 metros.

“Debajo de nosotros están ocurriendo millones de colisiones de protones a una velocidad muy cercana a la de la luz”, le dijo a BBC Mundo el investigador mexicano Gerardo Herrera, quien nos guió en el recorrido.

Retos

Los propios científicos reconocen la complejidad del LHC y, más aún, el reto de explicar lo que esta máquina busca a quienes no están familiarizados con la física de partículas (disciplina que se encarga de estudiar los ladrillos más pequeños de la naturaleza), como la materia oscura, la antimateria, los protones, los quarks, los gluones…

El Gran Colisionador es importante porque el estudio de los choques frontales de partículas que suceden en su interior les permitirá a los investigadores profundizar su conocimiento sobre la materia, la energía, el espacio y el tiempo.

El acelerador superó su récord de diciembre, cuando alcanzó los 2,36 TeV, el nivel de energía más alto logrado por cualquier acelerador en el mundo.

El LHC tiene ahora un nuevo objetivo: hacer colisionar dos haces de protones para crear nuevas partículas, que serán examinadas a fin de obtener más información sobre la composición de la materia.

Los científicos esperan, además, analizar en escala infinitesimal lo que sucedió en las primeras fracciones de segundo después de la Gran Explosión, conocida como Bing Bang, que según la teoría vigente dio comienzo al universo hace casi 13.000 millones de años, y confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs o también llamada “partícula de Dios”.

Este bosón es clave no sólo para comprender por qué todas las otras partículas tienen masa, sino también para entender la materia oscura, que los cosmólogos creen que domina el Universo.

Viaje en el tiempo

El Gran Colisionador de Hadrones atraviesa la frontera franco-suiza.

Aunque se trata de uno de los centros más avanzados de la ciencia en todo el planeta, visitar el CERN es un viaje al pasado, es tratar de remontarse a unos 13.700 millones de años.

La intención del LHC es llevar iones de plomo a interactuar a muy alta energía de tal manera que en el momento de la interacción, en el momento en que estos dos iones choquen, se creen -por unos instantes- unas condiciones de temperatura y de densidad tan altas como las que existían unos microsegundos después del origen del Universo“, explicó Herrera.

Lo que los científicos del CERN esperan es que los experimentos del LHC proporcionen las piezas necesarias para terminar de armar un rompecabezas lleno de vacíos.

Un beneficio paralelo -pero no menos importante- es que, mientras persiguen el objetivo de descifrar lo que pasó después del Big Bang, están desarrollando tecnologías clave en áreas como la medicina, las comunicaciones y la industria.

En el mundo de Alice

El profesor Herrera nos guió por la parte superficial de Alice, uno de los cuatro detectores del acelerador de partículas más poderoso del mundo y de la historia.

Apenas entramos a este lugar, que parece un depósito gigante con tubos de metal en sus paredes, nos llamó la atención el ruido persistente que genera el sistema de refrigeración de helio. Es un sonido similar al del motor de una nevera.

El objetivo de ese sistema es inyectarle helio al Gran Colisionador de Hadrones para evitar que se pueda recalentar.

Los protones circulan en direcciones opuestas en el anillo de 27 kilómetros.

En Alice, pudimos ver el ascensor que permite bajar al túnel donde está el LHC. Para llegar a él, nos desplazamos por un pasillo estrecho donde hay pequeñas escaleras de metal.

Al igual que los otros detectores, el propósito de esta estructura es registrar toda la información que arrojan las colisiones de partículas.

Alice pesa 10.000 toneladas, mide 16 metros de altura y tiene 26 metros de profundidad.

Pese a que cada detector tiene su propio cuarto de control, donde se monitorean las colisiones que suceden en esa sección del anillo, el LHC tiene una sala de control general que supervisa toda la actividad.

Se trata de un recinto amplio, muy bien iluminado, lleno de personas, computadoras y pantallas, un lugar donde nunca se duerme y que se parece a los que muestran las películas de ciencia ficción.

Babel

Tras visitar el centro de operaciones del acelerador, una observación empírica surgió: “Es hora de almorzar”, dijo el físico mexicano.

Muchos colaboradores y estudiantes de todo el mundo vienen por algunas temporadas y se quedan en los dormitorios del CERN. Otros viven en pueblos aledaños al laboratorio

Marta Losada, física de Atlas

En ese momento el clima había dejado de estar de nuestro lado. Una persistente lluvia nos acompañó hasta el comedor del CERN, un salón con grandes ventanales y con mucho movimiento.

El lugar estaba totalmente lleno. Algunos esperaban con paciencia que se desocupara un asiento en uno de los largos mesones que, quizás, también existieron en la Torre de Babel. El aroma de la comida se mezclaba con diversidad de culturas, idiomas, nacionalidades y saberes.

“Muchos colaboradores y estudiantes de todo el mundo vienen por algunas temporadas y se quedan en los dormitorios del CERN. Otros viven en pueblos aledaños al laboratorio”, contó la física colombiana Marta Losada, nuestra siguiente guía.

La competencia por hallar la “partícula de Dios”

La partícula de Higgs podría explicar interrogantes sobre el Modelo Estándar de la física de partículas.

No sólo el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) en la frontera franco-suiza está intentando desentrañar los misterios del Universo. En otras partes del mundo se han diseñado experimentos similares, aunque más pequeños, en busca de las elusivas partículas que podrían explicar cómo se formó el cosmos.

Y todos compiten por encontrar la llamada “partícula de Dios”, el hipotético y elusivo bosón de Higgs, que podría explicar cómo adquieren su masa todas las demás partículas.

Europa cuenta con el LHC en el laboratorio del CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear), un experimento de US$10.000 millones y el mayor que se ha construido en el mundo: un túnel subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia.

En Estados Unidos se encuentra el Tevatron, un acelerador de partículas basado en el estado de Illinois, que forma parte del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab) del Departamento de Energía y que, aunque es más pequeño que el LHC, ha producido importantes descubrimientos científicos.

Otro proyecto masivo de física, también en territorio estadounidense, es el Colisionador de Iones Pesados Relativistas, en el estado de Nueva York, que hasta antes de la inauguración del LHC era el acelerador de partículas más grande del mundo.

Los planes para el futuro incluyen la construcción de una versión mejorada de la máquina en Suiza: el Súper Gran Colisionador de Hadrones, también en Suiza.

Estos enormes experimentos están diseñados, como sus nombres lo indican, para acelerar haces de protones en direcciones opuestas y crear choques para determinar las diferentes partículas que surgen de esas colisiones.

“El Tevatron y el LHC son los que tienen la energía suficiente para investigar este famoso bosón de Higgs”, le explica a BBC Mundo el doctor Carlos Contreras Hidalgo, profesor de física de la Universidad Técnica Federico Santa María, en Chile.

“Pero la diferencia, hoy, entre estos dos es enorme. El Tevatron trabaja en el orden de un TeV (teraelectronvoltio) y el LHC puede llegar hasta 14 TeV”.

“Además, en el Tevatron las partículas viajan en un anillo de 6,3 kilómetros y en el LHC, de 27 kilómetros”, completa Contreras Hidalgo.

Origen de la masa

El Tevatron está ubicado en Illinois, cerca de Chicago.

La partícula o bosón de Higgs fue propuesta en 1964 para explicar la interrogante que siempre ha existido en la física de partículas: cuánta masa tiene el Universo.

Su existencia fue postulada por el llamado Modelo Estándar de la física de partículas para explicar cómo interactúan las partículas elementales.

Este modelo incluye 16 partículas: 12 de materia y cuatro mediadoras de fuerza. Y aunque hasta ahora ha funcionado sorprendentemente bien, no ha podido explicar una de las cuatro interacciones o fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad.

Y tampoco ha demostrado la existencia de uno de sus componentes: el bosón de Higgs, sin el cual ninguna de las 16 partículas tendrían masa.

“La masa del Universo tiene que ver con la masa de las partículas elementales”, explica el doctor Contreras, experto en física teórica de campos y partículas.

“Existen muchas partículas en el espacio estelar y dentro de ésas están las partículas elementales. Y lo que no hemos podido explicar hasta ahora es cómo se origina su masa”.

Así que la búsqueda del Higgs se ha convertido en una causa célebre de la física y es el principal objetivo del LHC y del Tevatron.

“Existen pruebas de que con una aceleración a altas energías, mayores de los 3 TeV, uno debería encontrar evidencia de otras partículas, como la de Higgs”.

“Entonces esperaríamos que cuando el LHC pueda operar a 14 TeV encuentre evidencia de la existencia del bosón de Higgs y de otras partículas, como las supersimétricas”.

Materia oscura

El LHC es el experimento científico más ambicioso del mundo.

Toda la materia visible en el Universo, los planetas, las estrellas y las galaxias, suman sólo un 4% de lo que lo compone. El resto es energía oscura (73%) y materia oscura (23%).

Tal como explica el doctor Contreras, “si logramos comprobar la existencia del Higgs y de otras partículas supersimétricas podríamos calcular la masa de la materia oscura”.

“Por eso es tan importante desde el punto de vista teórico en la física de partículas”, agrega el experto.

El Modelo Estándar ha sido muy aceptado por la comunidad física porque hasta ahora se han cumplido todas sus predicciones, como la existencia de tres bosones (el W+/-. el Z0 y el Y), que fueron descubiertos en el CERN en la década de los años 80.

Pero muchos se preguntan si realmente ha valido la pena dedicar tanto esfuerzo -y dinero- a estos experimentos científicos tan ambiciosos.

Todo el desarrollo de ingeniería que se lleva a cabo en (los aceleradores) ha tenido aplicaciones muy importantes para la sociedad

Dr. Carlos Contregas Hidalgo

“Ciertamente, si lo vemos desde el punto de vista de las necesidades que tienen muchos países podríamos decir que es un despilfarro, pero la realidad es que todo el desarrollo de la ingeniería que se lleva a cabo en ellos ha tenido aplicaciones muy importantes para la sociedad”, dice el investigador.

En efecto, los experimentos del CERN y del Tevatron han logrado trasladarse a diversos usos en la investigación de sólidos, de química y de biología. Y gracias a ellos también se han podido desarrollar “pequeños” aceleradores de haces de protones para tratamientos de radiación en cáncer.

Y no debemos olvidar que en el CERN se originó internet. Allí fue donde el creador de la World Wide Web, Tim Berners-Lee, entonces un joven estudiante del centro, implementó la primera comunicación exitosa de un cliente HTTP y un servidor.

“Por ahora, el LHC no ha podido funcionar a su valor nominal, que es 14 TeV. Está corriendo a siete TeV y mientras corra a esta velocidad no podremos tener la evidencia precisa que se busca”, explica el doctor Carlos Contreras.

“La física, como toda ciencia exacta, necesita de alta precisión y, con baja energía, el número de eventos que se pueden producir es bajo y la señal de existencia del Higgs también sería bastante baja”.

Ambos colisionadores, el LHC y el Tevatron, están por ahora funcionando a baja energía y los dos podrían tener posibilidades de encontrar evidencia del elusivo bosón, aunque poco precisa.

Pero si el LHC logra funcionar a toda potencia, lo cual podría ocurrir en 2012, quizás sea el primero que logre determinar de qué está hecho el Universo y si es que el Higgs realmente existe.


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