LHC: Large Hadron Collider:
Mitos y Realidades
Por Alfonso Treviño Cantú

En últimas fechas hemos escuchado en los medios o simplemente en boca de nuestros amigos y compañeros rumores de un experimento suizo, temores a un posible accidente que podría llevar, sino a todo el mundo, por lo menos al hemisferio norte, a su fin, o a la posible generación de hoyos negros que pudiesen devorar toda la materia del planeta.

¿De qué estamos hablando? Del LHC o Large Hadron  Collider, el más nuevo acelerador de partículas del CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares, por sus siglas en francés), ubicado 175 metros bajo tierra en la frontera franco-suiza cruzada por los Alpes. La parte principal de este acelerador es un túnel de 27 kilómetros y 3.8 metros de diámetro por donde viajarán haces de protones al 99.9999961% de la velocidad de la luz para hacerlos colisionar unos con otros. Este aparato fue puesto en operación el 10 de septiembre pasado.*

Pero, ¿qué es un acelerador de partículas?

¿Qué es un hadrón? La primera pregunta es fácilmente contestable: los físicos llevan más de 70 años construyéndolos. Se trata de aparatos que, gracias a poderosos campos magnéticos, extirpan protones o electrones de los átomos para acelerarlos a grandes velocidades. ¿Y por qué no neutrones? ¿Qué clase de discriminación “particular” tienen los físicos en contra de ellos? Ninguna. Los neutrones, al no tener carga eléctrica no son susceptibles a ser afectados por un campo magnético, no importa que tan fuerte sea éste.

El primer acelerador de partículas fue construido en los años 30´s por los físicos John Crockford y Ernest Walton, y desde esa época a la fecha, numerosos aceleradores de partículas han sido construidos por institutos de investigación en diversos lugares del planeta.

Para contestar la segunda pregunta es necesario adentrarnos un poco en materia, entender qué es lo que estudian los físicos de partículas.

Uno de los misterios que ellos investigan es por qué existen cuatro fuerzas fundamentales en el universo y cómo pueden explicarlas como facetas de una sola fuerza universal. ¿Cuáles son estas fuerzas? Dos muy conocidas por nosotros: la gravedad y el electromagnetismo, y dos que no percibimos en la vida diaria, pero cuyos efectos pueden en ocasiones percibirse por sus aplicaciones en medicina o en electrónica: se trata de las fuerzas nucleares, de las cuales a una la llamamos nuclear o fuerte, mientras que a la otra la llamamos simplemente débil.

Estas fuerzas son responsables de muchos de los fenómenos de radiactividad. Aquí le toca el turno a un paréntesis para hablar de lo que los físicos llaman a veces “el zoológico” de las partículas. Todos estamos familiarizados con los protones, neutrones y electrones que aprendimos en la escuela, pero no significa que sean las únicas partículas que existen en el Universo. ¿Por qué sólo nos enseñan sobre ellas? Porque son relativamente estables: el electrón es 100% estable, mientras que el protón y el neutrón, mientras vivan en el interior de un núcleo atómico, son prácticamente eternos (salvo en algunos fenómenos de desintegración radiactiva).

Fuera del cobijo de un núcleo atómico, los neutrones tienen una vida media de 918 segundos y los protones de un número de años muy superior a la edad del Universo. Lo anterior significa que, en promedio, para el neutrón fuera del núcleo, pasarán 918 segundos antes de que se desintegre, dejando en su lugar otras partículas. Ahora sí, ¿dónde están todas esas partículas que no nos enseñan en la escuela? Son altamente inestables y sus vidas promedio son de milésimas o millonésimas de segundo, desintegrándose en partículas que a su vez pueden ser inestables y así sucesivamente hasta que el producto de su desintegración sean partículas estables.

Estos miembros inestables del zoológico reciben nombres curiosos, por lo general de letras griegas, como piones, sigmas, cascadas o lambdas.

Para cerrar este paréntesis y ver la relación que esto tiene con las fuerzas, concluiremos diciendo que estas partículas raras, junto con los protones y los neutrones son las únicas que reaccionan ante las fuerzas nucleares, y son ellas a las que los físicos llaman hadrones.

¿Se imaginan por qué los hadrones son inestables a diferencia de los leptones (familia de partículas a la que pertenece el electrón)? Porque mientras que los leptones sí son verdaderas partículas elementales, los hadrones no lo son: cada hadrón está formado por 2 ó 3 partículas más elementales llamadas quarks, los cuales existen en muchos colores y sabores (y no lo digo metafóricamente, así se llaman las cualidades con las que los físicos los describen, no teniendo nada que ver con el color o el sabor que nuestros sentidos los pudieran percibir).

Pero, si lo que van a acelerar son protones, ¿por qué no se llama Large Proton Collider? Porque los subproductos de algunas colisiones de haces de protones podrían generar otros hadrones, los cuales podrían ser la entrada para posteriores experimentos (siempre y cuando se puedan realizar en milésimas de segundo).

¿Y para qué van a usar este aparato? Si recordamos la teoría de la relatividad de Einstein, un cuerpo que se acelera a velocidades cercanas a la de la luz adquiere una enorme masa y, si también recordamos que E = mc2, la masa que adquirirán los protones súper acelerados les dará una energía tal que, durante las colisiones, se espera que se alcancen condiciones similares a las que reinaron en los primeros momentos después de la Gran Explosión. Es en esos momentos, cuando el Universo tenía poco de haber nacido, cuando las cuatro fuerzas funcionaron como una sola, antes de que el descenso en la temperatura hiciera que cada una de las fuerzas se diferenciara.

¿Qué misterios tratará de revelar el LHC? Echemos una mirada a cada uno:

Antimateria:

Las leyes de la física de partículas son simétricas. De acuerdo a estas leyes debe existir una partícula con características inversas por cada partícula que exista. A la materia que estas partículas con características inversas le llamamos antimateria. Así, el electrón tiene carga negativa y espín (una de tantas características que los físicos usan para describir las partículas) de -1/2, y si existe el electrón debe existir el antielectrón (que los físicos llaman positrón) con carga eléctrica positiva y espín de +1/2. Lo mismo pasa con todas las otras partículas. Sin embargo, hay un problema: las leyes de simetría nos dicen que debería haber igual cantidad de materia que de antimateria, lo cual no es cierto, pues gracias a que hay más materia es que el universo existe como lo conocemos (de no ser así, al haber igual cantidad de materia y antimateria ambas se aniquilarían transformándose en rayos gamma). ¿Por qué hay más materia que antimateria?

Materia oscura:

A lo largo del siglo XX, astrónomos como Fritz Zwicky y Vera Rubin notaron que las estrellas en la periferia de las galaxias giraban en torno al centro galáctico con mayor velocidad que la predicha por las leyes de Newton. Algo masivo estaba modificando el movimiento de esas estrellas. Este descubrimiento originó toda una nueva era en la astronomía: había materia oscura en el universo y había que identificarla. A la fecha se ha identificado mucha de esta materia oscura: la forman planetas, enanas cafés, agujeros negros y cuerpos menores que no brillan con luz propia y que, por ende, no podemos detectar fácilmente, salvo por sus influencias gravitacionales. No obstante, hay mucha masa oscura aún no identificada, y se piensa en la posibilidad de la existencia de partículas masivas que, al no interaccionar mucho con el resto de la materia, no sean fácilmente detectables. Diferentes teorías predicen diferentes tipos de partículas, pero todas ellas se conocen bajo el acrónimo de WIMP (Weakly Interactive Massive Particle).

La débil gravedad:

De las cuatro fuerzas fundamentales, la gravedad es la que posee la menor intensidad. ¿Cómo es esto posible, si la gravedad tiene su influencia en todo el cosmos? La gravedad tiene alcance infinito, aunque la intensidad se va disminuyendo con el cuadrado de la distancia entre las masas, pero simplemente, la gravedad tiene influencia en todo el universo porque todo tiene masa.

Si todos los cuerpos del universo (nosotros, su computadora, su silla, su casa, etc.) tuviéramos carga eléctrica, sería más importante la fuerza electromagnética en nuestra vida diaria que la gravedad. Aquí podríamos decir: “Bueno, una de las cuatro fuerzas tenía que ser la más débil”, y contestaríamos: “Sí, pero la diferencia de magnitud entre el penúltimo y el último lugar en la lista de fuerzas es de ¡más de un trillón!”.

Una de las explicaciones de las múltiples teorías que tratan de explicar este misterio estiba en suponer que nuestro universo tiene más de las cuatro tradicionales dimensiones (longitud, área, volumen y tiempo), pero con el detalle de que las dimensiones extra sólo se manifiestan a niveles mucho más pequeños que el subatómico y que es, a través de estas dimensiones, por donde se cuela gran parte de la magnitud de la fuerza de gravedad, de tal forma que a escalas macroscópicas se convierta en una fuerza débil.

No existe aparato alguno que pueda ver, si es que existen, estas dimensiones, pero las teorías predicen efectos que estas dimensiones tendrían sobre las partículas altamente energizadas (los físicos usan el término excitadas).

El confinamiento de las fuerzas nucleares:

Tanto la fuerza de gravedad como la electromagnética tienen alcance infinito, mientras que las fuerzas nucleares tienen un alcance confinado exclusivamente al núcleo del átomo. Fuera del núcleo del átomo estas fuerzas no tienen magnitud alguna. ¿Por qué? Uno de los modelos que los físicos han desarrollado para explicar la existencia y las interacciones entre todas las partículas del zoológico es conocido como Modelo Estándar.

En este modelo estándar se define que las fuerzas cuentan con partículas portadoras. Estas partículas portadoras no pueden verse, pero sí detectar sus efectos, pues estamos hablando de partículas que nunca están en reposo y que se mueven a o casi a la velocidad de la luz. La partícula portadora de la fuerza electromagnética es el fotón y tiene masa cero y se mueve a la velocidad de la luz.

La partícula que transmite la gravedad (no ha podido detectarse debidamente; la gravedad continúa siendo la fuerza más escurridiza al momento de querer explicarla mediante una teoría de unificación) es el gravitón, también de masa cero.

Sin embargo, las partículas que transmiten las fuerzas nucleares (los aglutinones en el caso de la fuerza nuclear y las W y Z en el caso de la fuerza débil) tienen masa, lo que explica el por qué de su corto alcance. ¿Y por qué ellas tienen masa y las otras no? ¿Quién les hizo el feo para que se pusieran “gorditas”?

El culpable, al parecer, es el bosón de Higgs, predicho por el físico Peter Higgs. Esta partícula sería la responsable de otorgarles masa a los aglutinones, Ws y Zs y es uno de los principales objetivos del LHC, pues se estima que para descubrirla se requieren colisiones de partículas con altas energías.

Para cumplir con sus tareas, el LHC cuenta con una serie de detectores o experimentos como los prefieren llamar sus creadores; ALICE, un cañón para hacer colisionar iones; ATLAS y CMOS, principales ayudantes en la búsqueda del bosón de Higgs; LHCb, nos ayudará a revisar las leyes de la simetría y saber por qué hay más materia que antimateria; TOTEM y LHC se utilizarán para otros tipos de detecciones.

Se estima que serán tantas las colisiones que se efectúen que los detectores deberán filtrar los eventos, sólo pasando al sistema de cómputo los 100 más relevantes de cada par de haces de protones que choquen (se estima que se lanzarán como 2,808 haces por segundo, cada uno conteniendo mil millones de protones).

La información recibida por las computadoras se analizará primeramente por las computadoras del emplazamiento del LHC, apoyándose en un segundo nivel de computadoras en las oficinas del CERN en Suiza y un tercer nivel de computadoras de otros centros de investigación y universidades y es probable que pronto tengamos un protector de pantalla para utilizar el poder de cómputo de nuestras computadoras caseras y de oficina cuando estén ociosas, como ya lo hicieron con el SETI@HOME.

Para alcanzar las velocidades tan altas, los protones circularán primero por dos aceleradores construidos por el CERN en los años 60s, saliendo de ellos a un 99.99975% de la velocidad de la luz para recibir su último tirón en el LHC, gracias a la ayuda de poderosos magnetos con temperaturas cercanas al cero absoluto, que los convierten en poderosos superconductores (no hay que olvidar que entre mejor conductor sea un cuerpo, más grande será el campo magnético que pueda generar cuando una corriente eléctrica lo atraviese).

Y a todo esto, ¿es cierto que hay peligro? El hombre tiene 70 años de experiencia jugando con aceleradores y nunca ha habido peligro para el planeta, mas el falso peligro que los medios y los charlatanes nos intentan infundir.

La construcción del LHC no ha estado libre de problemas; como todos los aceleradores de tipo anillo (llamados ciclotrón, los aceleradores en línea recta se llaman lineales) tiene el problema del Bremstahlung o radiación sincrotrón, que se origina cuando los protones viajan tan rápido en un camino curvo, que la radiación que emiten los hace desviarse de su trayectoria, pero esto se corrige con campos magnéticos correctores.

También hubo accidentes humanos, pero no estamos hablando de personas que hayan sido cercenadas por un haz de protones o que hayan muerto de cáncer por radiación, sino de accidentes típicos de la industria de la construcción.

Alguien podría decir: “Sí, pero éste acelerador es muy grande, éste sí es peligroso”. No, porque el túnel de 27 kilómetros que utiliza ya lo usaba antes otro acelerador del CERN (el llamado LEP, Large Electron-Positron Collider), por lo que no es más grande. “Sí, pero son protones, a más velocidad y con más energía, por ahí leí que se podrían formar mini-agujeros negros”.

Pudiera ser, pero no tengamos tantas esperanzas (para los científicos sería fantástico que se pudiesen crear), pero antes de que piensen que “¡qué miedo!” recordemos que desde 1974 el físico inglés Stephen Hawking demostró que existe un proceso por el cual los agujeros negros se evaporan, evaporándose más rápido cuanto más pequeños son. Si se llegasen a crear mini-agujeros negros en el LHC, éstos desaparecían en milmillonésimas de segundo, sin alcanzar a causar el menor daño. ¿Y accidentes por errores humanos? La inauguración del LHC se ha ido posponiendo a través del tiempo para asegurar que todo funcione bien. Ya se han remplazado equipos defectuosos o construidos con especificaciones que fueron mal calculadas.

¿Aquí nos detendremos? No, los principales institutos de investigación nuclear del mundo traen un proyecto equivalente a la ISS, pero mientras la Estación Espacial Internacional es para explorar el macrocosmos, el ILC (International Linear Collider) lo será para el microcosmos.

Aún no se define el lugar donde se construirá ni el total de sus especificaciones, pero la idea es que quede listo en el transcurso de la década que sigue. En este acelerador se harán colisionar electrones y positrones y servirá como un excelente compañero para complementar los experimentos del LHC, pues dados los niveles de energía que este último maneja, experimentos con niveles de energía menores no podrán ser realizados en él y para ello el ILC entrará en acción.

Para saber más, puedes consultar:
http://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider
http://lhc.web.cern.ch/lhc/

* Nota de la edición: este artículo se escribió apenas 7 días después del inicio de operaciones, y hoy –desafortunadamente- el LHC está en espera de una extensa y costosa reparación. Primero, uno de los grandes transformadores experimentó fallas y luego el sistema de enfriamiento sufrió una fuga, resultando en daños severos al sistema. Una instalación eléctrica defectuosa entre dos electroimanes fue la causa del problema. El sistema de enfriamiento no pudo operar adecuadamente y los electroimanes alcanzaron temperaturas demasiado elevadas. Afortunadamente nadie salió lastimado (salvo por algunos egos) El uso del colisionador se ha postergado cuando menos hasta la primavera de 2009.