Así es el gran colisionador de hadrones

En el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), millones de partículas chocan entre sí cada segundo. ¿El objetivo? Esclarecer qué pasó justo después del Big Bang.

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Recreando el universo remoto

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Recreando el universo remoto

El llamado CMS (Solenoide Compacto de Muones) es uno de los cuatro grandes detectores del Gran Colisionador de Hadrones. Estos instrumentos detectan y analizan las colisiones de partículas subatómicas.

Foto: Richard Juilliart/ AFP / Getty Images

GettyImages-187744090. Bosón de Higgs

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Bosón de Higgs

¿Cómo obtienen masa las partículas elementales? En la década de 1960 el británico Peter Higgs y otros físicos describieron una partícula que, junto con su campo cuántico, podía cumplir esa función: permear el universo otorgando masa a las partículas. Pero la propuesta de Higgs fue durante más de medio siglo una mera predicción: la elusiva partícula no se dejaba ver. Sin embargo, el 4 de julio de 2012 el CERN anunció que los detectores ATLAS y CMS, ambos del LHC, habían hecho sendas observaciones que encajaban con ella.

Fue un hito histórico para la física teórica que el 14 de marzo de 2013 se acabó de confirmar: el LHC había detectado esa nueva partícula con un mayor índice de fiabilidad que en la observación anterior. La partícula en cuestión es un bosón, «el bosón más pesado jamás hallado», dijeron desde el CERN. Junto con los fermiones, los bosones son uno de los dos tipos de partículas elementales. Su hallazgo es sin duda el mayor éxito del LHC hasta el momento. Y el de Peter Higgs, quien ganó el Nobel de Física en 2013 gracias a «su bosón».

Foto: Peter MacDiarmid/ Getty Images

GettyImages-463690432. Sincrociclotrón

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Sincrociclotrón

El sincrociclotrón de 600 MeV, construido en 1957, fue el primer acelerador del CERN y proporcionó haces de iones para los primeros experimentos en física de partículas y nuclear. Haciendo una u otra labor, esta máquina estuvo en activo durante 33 años, hasta que fue clausurada en 1990.

Richard Juilliart / AFP / Getty Images

Sala de control del detector LHCb

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Sala de control del detector LHCb

Sala de control del detector LHCb, por Large Hadron Collider beauty. «Beauty» se refiere a un tipo de quark que en español se denomina quark fondo. Este detector está instalado en el LHC y está especializado en este tipo de partículas subatómicas.

Foto: Alastair Philip Wiper /Spl / Age fotostock

Recreando el universo remoto

Así es el gran colisionador de hadrones

Siempre nos han dicho que las temperaturas más gélidas de la Tierra, cercanas a los 100 °C bajo cero, se dan en las zonas polares, y que las máximas tienen lugar en el núcleo terrestre, donde se sobrepasan los 6.000 °C. Sin embargo, esto solo es cierto si nos referi­mos exclusivamente a los ambientes naturales de nuestro planeta. Si incluimos las estructuras creadas por el ser humano, los récords de temperatura –y muchos otros– se registran en un lugar mucho menos inhóspito, muy cerca de la ciudad suiza de Ginebra. Allí se encuentran las instalaciones del CERN, el organismo europeo para la investigación nuclear, y el Gran Colisionador de Hadrones, LHC por sus siglas en inglés, una megaestructura de ingeniería que ha cumplido 10 años en septiembre y que ahora cierra durante dos años para hacer mejoras. En el interior de este túnel circular de 27 kilómetros de longitud el nivel de vacío es superior al del espacio exterior.

La temperatura mínima, de -271,3 °C, roza el cero absoluto, y la más alta, de 10 billones de grados, rebasa unas 100.000 veces la que se da en el interior del Sol. ¿Su finalidad? Colisionar hadrones, un grupo de partículas subatómicas que incluye los protones (las partículas que principalmente circulan en el LHC), recreando las condiciones que existieron justo después del Big Bang.


El físico del CERN Héctor García-Morales, que trabaja en el LHC y realiza estudios y cálculos destinados a mejorar el rendimiento del mismo, explica que estas colisiones, extraordinariamente energéticas, recrean las circunstancias que hubo durante la primera milbillonésima de segundo después de esa «Gran Explosión» que tuvo lugar hace 13.800 millones de años, el inicio de un período de tres minutos que fue capital para el devenir del universo. En ese breve lapso de tiempo el universo era tan extremadamente energético, denso y caliente que no permitía la formación de átomos. Ni siquiera los fotones, componentes de la luz, podían moverse. Todo era plasma y oscuridad, hasta que las temperaturas descendieron lo suficiente para que los primeros núcleos atómicos pudieran constituirse y, literalmente, se hiciera la luz.


«Cuando los protones chocan a energías tan grandes como las que se alcanzan en el Gran Colisionador, esa energía se transforma convirtiéndose en otro tipo de partículas, siguiendo la célebre ecuación de Ein­stein E=mc2, que postula la equivalencia entre energía y masa. Algunas de esas partículas componen la materia conocida, pero otras solo pudieron existir bajo aquellas condiciones tan concretas, y son las que más nos interesa estudiar», dice García-Morales.


Además de descifrar los secretos de ese universo remoto, las investigaciones llevadas a cabo en el LHC abren la puerta a que algún día se puedan aportar los datos necesarios para consolidar la que sería la revolución de la física más grande de todos los tiempos: una única teoría que en lo que a la materia se refiere lo explique todo, tanto a escala macroscópica como microscópica. Algo que hoy no pasa, pues ambas escalas parecen estar sometidas a leyes diferentes.


«La física que ocurre a nivel subatómico se rige por el denominado modelo estándar –explica el físico–. Esta teoría describe la interacción entre partículas a través de tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo, que vincula electricidad y magnetismo; la fuerza nuclear débil, responsable de la radiactividad, y la fuerza nuclear fuerte, gracias a la cual las partículas de los núcleos atómicos se mantienen unidas. La cuarta fuerza fundamental, la gravedad, es un fenómeno natural por el cual los objetos masivos se atraen entre sí y que fue descrita por la teoría de la relatividad general de Einstein.


Al tener una naturaleza diferente al resto de las fuerzas, es muy difícil de describir en términos cuánticos y no se ha podido incluir en el modelo estándar».


Pero bajo condiciones más energéticas, que es lo que procuran los aceleradores, se ha podido constatar experimentalmente que el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil se unen en una sola fuerza, la electrodébil. Y si consiguieran energías aún más descomunales –cosa harto improbable por el momento–, los físicos estiman que la fuerza nuclear fuerte se uniría a la electrodébil, obteniendo así una sola «normativa física» que integraría todas las fuerzas menos la gravedad. Aunque, ya puestos, los físicos han ideado también una teoría para incorporarla: se trata de la teoría de cuerdas, a la que va vinculada la idea de los universos múltiples, o multiversos.

Pero eso, hoy por hoy, es una quimera. Aunque, teóricamente, un supercolisionador podría dar respuesta a ello. Si lo que sucede con la energía que se desprende de esas tremendas colisiones entre protones no disminuye ni aumenta, sino que se transforma en la masa de las nuevas partículas… entonces ¿qué conclusión se debería extraer si, en el hipotético caso de que se lograra reproducir energías muchísimo más altas de las que hoy se consigue generar, resultara que tras una colisión la energía resultante fuera menor que la que había antes del choque? ¿Se habría escabullido ese sobrante a un universo paralelo?


Por el momento todo son cábalas. «Aún sabemos muy poco acerca de lo que sucedió en los inicios del universo –admite este físico que divulga sus conocimientos en el canal de YouTube CERNtrípetas–. Quizá por eso se barajan posibilidades inéditas. Hace un par de décadas era absurdo preguntarse qué hubo antes del Big Bang porque el tiempo “nació” en ese momento y por tanto no existía un “antes”. Ahora, a falta de datos concretos, se consideran otras hipótesis que plantean un antes del Big Bang. ¿Quién sabe qué hipótesis será la correcta?». De momento, nadie.


Mientras tanto, en esa especie de máquina del tiempo que es el LHC y que está siempre operativa menos cuando requiere labores de mantenimien­­to, siguen intentando emular el universo temprano en la Tierra. Para ello hacen colisionar haces de protones, constituidos por 2.500 paquetes de 100.000 millones de protones cada uno, provocando hasta 600 millones de colisiones por segundo.


«Los protones se extraen del hidrógeno, un elemento muy común que está formado por un electrón y un protón. Con esta estructura tan simple solo es necesario aislar los protones y eliminar los electrones sometiéndolos a un campo eléctrico», explica la física Marta Sabaté, que colabora con el CERN desde 2012. Una vez eliminados los electrones, los protones pasan por varios aceleradores antes de ingresar en el túnel del LHC. Allí, a una velocidad cercana a la de la luz gracias a la acción de campos eléctricos, dos haces de protones circulan en sentidos inversos en sendos tubos de vacío paralelos, dando 11.245 vueltas por segundo. Un potente campo magnético, generado por cavidades de radiofrecuencia, curva su trayectoria y mantiene los protones unidos en el haz. Unos imanes especiales (llamados tripletes o inner triplets) modifican la trayectoria de los dos haces y los focalizan para que se crucen en cuatro puntos donde se hallan los cuatro grandes detectores: ATLAS, ALICE, CMS y LHCb.


«Los detectores captan las partículas emitidas fruto de la colisión, y las procedentes del decaimiento de otras partículas que se generaron en el choque. En el caso del bosón de Higgs, su vida media es tan corta que se desintegra antes de llegar a los detectores. Lo que se detecta son los productos del decaimiento del bosón», explica Sabaté, quien en estos momentos es­tudia la energía que se deposita en distintas regiones del LHC con la finalidad de aportar datos para el gran plan de actualización y mejora al que se someterá el colisionador en 2026, el proyecto LHC de Alta Luminosidad, cuyo objetivo es conseguir un número mucho mayor de colisiones por segundo (factor que se conoce como luminosidad) y, por tanto, también de los datos obtenidos.


Un enorme esfuerzo internacional (el CERN cuenta hoy con 22 estados miembros) que no solo busca entender las características del universo remoto y, con ello, la naturaleza de las partículas fundamentales (y, entre otras muchas cosas, descubrir qué son esas desconocidas materia y energía oscuras que conforman más del 90% del universo), sino que también genera una transferencia tecnológica enorme.


«Los sectores beneficiados son múltiples –apunta Sabaté–: ingeniería civil, tecnología de materiales, robótica y automatización, física de aceleradores para aplicaciones médicas, sistemas de detección muy útiles en dosimetría, tratamiento masivo de datos…». No olvidemos, añade García-Morales, que muchos desarrollos tecnológicos necesarios para construir el LHC han hecho posibles muchos inventos que hoy forman parte de nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, las pantallas táctiles, inventadas en el CERN. O la World Wide Web, la red informática mundial accesible a través de internet. No hace falta añadir nada más.

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