Quizá nunca hayas oído hablar del Gran Colisionador de Hadrones, el LHC (Large Hadron Collider). Se trata de la máquina más sofisticada construida por el Ser Humano hasta la fecha, un acelerador de partículas que explora escalas de la física nunca antes exploradas y que pone a prueba las teorías más complejas jamás creadas por nuestra mente. Pero, ¿qué es exactamente lo que allí se busca y por qué debería importarme?

Una maravilla de la ingeniería

Empecemos por el principio. El LHC es una acelerador de hadrones (protones e iones) de 27 kilómetros de longitud situado bajo suelo en el complejo del CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear), en la ciudad de Ginebra, Suiza.

Este complejo esta formado por una sucesión de aceleradores que incrementan la velocidad de un haz de partículas progresivamente, para posteriormente inyectarlo en la última fase o anillo, el LHC. A lo largo de éste, viajan dos haces en direcciones opuestas que se hacen coincidir, y que por lo tanto colisionan, produciendo tras esta colisión una infinidad de partículas.

Gráfico: CERN

Lo que hace al LHC un acelerador tan especial son las energías a las cuales las partículas chocan ya que nunca antes habían sido conseguidas aquí en la Tierra.

En términos absolutos la energía alcanzada no es nada sorprendente, de hecho, es comparable a la energía que tiene un mosquito en vuelo. Lo que hace extraordinario al LHC es que es capaz de comprimir esta energía en un espacio que es un millón de millones de veces menor que un mosquito. Piénsalo la próxima vez que veas uno.

Una cantidad así de energía concentrada en un espacio tan pequeño crea unas condiciones muy especiales, ¿por qué?, bueno, nada más y nada menos que se recrea un ambiente correspondiente a 0.000000000001 segundos después del nacimiento del Universo. Otra forma de verlo es en términos de la velocidad. Los protones se aceleran hasta alcanzar un 99.9999991% de la velocidad de la luz (recordar que ésta es de 300.000 kilómetros por segundo), recorriendo la totalidad de la longitud del acelerador unas 11000 veces por segundo.

Dado que un protón tiene un tamaño aproximado 100 veces menor que la mil millonésima parte de un milímetro, podemos imaginar que hacer coincidir dos protones que viajan a una velocidad cercana a la luz en direcciones opuestas no es sencillo.

Debido a que el protón está cargado eléctricamente, en el LHC se han diseñado una serie de potentes imanes que producen campos magnéticos con una precisión y potencia inimaginables manteniendo el haz en la trayectoria deseada. Este fue, de hecho, uno de los mayores retos en el diseño del LHC.

Estos campos se consiguen usando superconductores (materiales que ofrecen una resistencia eléctrica minúscula) a una temperatura de -271.3ºC, ¡más frío incluso que el espacio exterior (-270.5ºC)!. Dado el gigantesco tamaño del LHC, la cantidad de filamentos superconductores que se han necesitado es abrumadora. Si los cogemos todos y los estiramos podríamos viajar de la Tierra al Sol 6 veces, y nos sobraría para darnos alrededor de 150 paseos por la Luna. Empezamos a vislumbrar ya que este no es un experimento cualquiera.

En la zona más interna se pueden observar los dos conductos por donde circulan los haces de protones en direcciones opuestas. Los tubos que los envuelven son los superconductores. El resto de capas son responsables de aislar térmicamente el conducto y mantener el vacío. Crédito: CERN/CERN-AC-0911188-01

En general, en cualquier acelerador, es también muy importante que los tubos por donde circulan los haces de partículas estén lo más “limpios” posibles, es decir, que estén en ultra-alto vacío.

En el caso del LHC, la presión que se alcanza en los tubos es la misma que la presión de la atmósfera en la Luna, asegurando de este modo que las interferencias sean lo menos perjudiciales posibles. Otro dato que nos deja sin palabras es que el volumen que se vacía en el LHC equivaldría al volumen que ocupa…¡la nave central de una catedral!

Los grandes detectores

Rodeando cada uno de los puntos donde se hacen colisionar los haces de protones es donde se sitúan los 4 grandes detectores o experimentos: ATLAS, CMS, LHCb y ALICE.

La tarea de cada uno de estos experimentos es dilucidar cuales son los productos finales de estas colisiones. Esto es, contar, seguir y caracterizar cada partícula que se crea tras la colisión permitiendo así reconstruir el choque por completo. Fácil ¿verdad?

Bueno, teniendo en cuenta que cada haz de partículas esta compuesto de alrededor de 2800 paquetes de protones, y que cada paquete contiene 100000000 protones, resultando en un total de mil millones de colisiones por segundo que produce un sin fin de partículas tras cada choque, quizá no lo sea tato. De hecho, es una tarea titánica que ha requerido un desarrollo tecnológico sin precedentes.

Los detectores de LHC son un prodigio de la tecnología. Por ejemplo, ATLAS, es un detector multi-propósito, o lo que es lo mismo, diseñado para cubrir el estudio del máximo de procesos físicos posibles. Este detector cilíndrico de 7000 toneladas, 46 metros de largo, 26 metros de alto y 26 metros de ancho es el mayor detector jamás construido en un acelerador.

Cuando tuve la suerte de visitar el CERN por primera vez, me llevaron a conocer este experimento, y os puedo asegurar que con solo ver de lejos este detector uno no es capaz de creer lo que ve. Es como un edificio entero completamente hecho de microelectrónica desde el primer hasta el ultimo hueco al que mires, simplemente, impresionante.

Detector ATLAS. Por la parte central del detector es por donde circulan los haces de protones que allí colisionan. A la izquierda vemos un operario que nos da muestra del tamaño del detector. Crédito: CERN

El tubo principal por el que circulan los haces atraviesa cada detector por su eje de forma que la colisión tiene lugar en el punto medio de éste. Estos experimentos están construidos por capas de modo que cada una tiene unas características diferentes para así aportar una información complementaria.

Como ya hemos mencionado, cuando los protones chocan tienen lugar una serie de cascadas de diferentes partículas que se mueven en todas direcciones. Cuando una de estas partículas atraviesa cada una de estas capas, se registran su carga, su energía, su dirección de movimiento, etc., que permiten posteriormente caracterizarla por completo. Este proceso hace posible identificar todo lo que tras la colisión esta pasando, ya que en todos los casos las partículas registradas provienen de otras que se crean tras la colisión decayendo rápidamente en éstas, y por lo tanto, no siendo directamente registradas.

Reconstrucción de un evento real en el detector ATLAS. Como se ve, tras cada colisión se crean muchas partículas, representadas por las lineas de color naranja. En este evento se resaltan dos electrones (lineas verdes) y dos muones (lineas rojas). En la figura de arriba a la derecha podemos observar frontalmente la colisión. Como vemos las partículas son registradas por los detectores de ATLAS (zonas amarillas). La figura de abajo a la derecha es un zoom de la zona de la colisión que muestra que los electrones y los muones son producidos en el mismo punto de colisión. Crédito: CERN/ATLAS-PHO-COLLAB-2012-013-1

¿Qué se esté buscando en el LHC?

A día de hoy sabemos que nuestro conocimiento sobre las leyes que operan en el Universo ha de ser incompleto. El Modelo Estándar de física de partículas es hasta ahora una de las teorías más satisfactorias que se han desarrollado. En ella, se describen tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza, así como todas las partículas elementales hasta ahora descubiertas.

Es una teoría extraordinariamente bella, basada en simetrías matemáticas que determinan por completo las interacciones de todas estas partículas, y escribirla no nos ocupa más que un par de líneas. Sin embargo, tenemos evidencias suficientes para saber que ésta teoría no es la teoría “final”, y que varios ingredientes más tienen que ser añadidos para dar cuenta de todas estas evidencias. Pues bien, son estos ingredientes los que se están buscando en el LHC.

Diagrama de las partículas del Modelo Estándar. En el centro, el bosón de Higgs. Las partículas en azul son las responsables de transmitir las 3 fuerzas incluidas en la teoría (fotón, gluón, bosones W y Z). En verde los denominados leptones, y en rojo los quarks. Crédito: Documental “Particle fever”.

  • El bosón de Higgs: Se trata de la pieza clave que faltaba para completar el Modelo Estándar. El Higgs (como se le conoce de forma coloquial) es la partícula responsable de dar masa al resto de partículas. El mecanismo por el cual esto ocurre fue teorizado por una serie de físicos teóricos (Robert Brout, François Englert y Peter Higgs) a mediados de los años 60. Conocido como ruptura espontánea de la simetría, posee una sencillez y belleza extraordinaria. Viene a decir que existe un campo que todo lo permea, el campo de Higgs, y que en función del grado de interacción, del “rozamiento”, que tienen el resto de partículas con este campo, éstas adquieren más o menos masa. En 2012, casi 50 años después de que fuera teorizado, el bosón de Higgs fue descubierto en el LHC. Sin embargo, la Naturaleza nos tenia una sorpresa guardada. La masa del Higgs es de aproximadamente 125 GeV (125 veces la masa del protón) y resulta que este valor no deja satisfecho a nadie. De entre las varias teorías más populares que se manejan ninguna está “cómoda” con este valor, en algunos casos la masa del Higgs es demasiado alta y en otros demasiado baja. ¡Los físicos teóricos nunca estamos totalmente satisfechos con un resultado experimental! En cualquier caso el descubrimiento del Higgs nos ha ayudado a entender el Universo, cómo se ha formado y su evolución, y en última instancia arroja luz sobre nuestra propia existencia.
  • Divergencias: el lector más avezado podría estarse preguntando: si las partículas adquieren masa rozándose con el Higgs, y dado que el rozamiento es una cosa mutua, ¿el Higgs no adquiere masa por rozamiento con el resto de partículas? La respuesta es sí, y de hecho, cuando uno hace el calculo en el Modelo Estándar (asumiendo que es la teoría “final”) el resultado es que la masa del Higgs…¡tiende a infinito! Esta es una de las razones por las que el Modelo Estándar no puede ser la teoría “final.” Existen muchas teorías que previenen de tal situación(¡quiero que esto quede muy claro!) pero quizá la más popular es la Supersimetría (SUSY). Esta teoría postula que por cada partícula del Modelo Estándar existe una compañera casi idéntica, pero más masiva, que produce un rozamiento con el Higgs en dirección opuesta, y que por tanto, cancela la contribución de su compañera. Por ejemplo, la compañera del electrón se llama selectrón. Sin embargo, ni una sola de estas compañeras ha sido descubierta a día de hoy, lo que ha puesto esta teoría en el punto de mira de la comunidad. Sin ir más lejos, yo mismo organicé junto con unos colegas una conferencia el pasado mes de Septiembre cuyo objetivo era responder a la pregunta: “Is SUSY alive and well?” (¿está la Supersimetría viva y bien?). Desgraciadamente no hubo un claro consenso. Se espera que el LHC sea capaz de dilucidar está cuestión, sea descubriendo partículas SUSY u otras correspondientes a otras teorías.
  • Gravedad cuántica: El Modelo Estándar no incluye una descripción de la fuerza de la Gravedad. Sabemos que la Relatividad General de Einstein establece que la Gravedad es una consecuencia de la curvatura del tejido espacio-tiempo, sin embargo, no se tiene una descripción cuántica, o microscópica, de esta fuerza. El LHC podría allanar el camino para la creación de una teoría de gravedad cuántica.
  • Materia Oscura: todo lo que conocemos en el Universo, desde las estrellas hasta el objeto más insignificante que puedas imaginar, esta formado de átomos, es decir, de protones, neutrones y electrones. Pues bien, todo esto compone solo el 15% de la materia del Universo, el otro 85% está en forma de una desconocida sustancia exótica conocida como Materia Oscura. Ninguna de las partículas que a día de hoy conocemos puede jugar el papel de la Materia Oscura, sin embargo, el LHC podría estar creando Materia Oscura en este mismo momento, aquí en la Tierra. Existe una dificultad mayúscula para la detección de este tipo de materia en el LHC ya que nada más ser creada escaparía del detector sin dejar rastro alguno. No obstante, si esto ocurriera un número suficientemente alto de veces se podrían extraer conclusiones muy interesantes sobre su naturaleza microscópica.
  • La asimetría Materia-Antimateria: como acabamos de mencionar todo está compuesto por materia, y no por antimateria, es decir, no por átomos formados por las antipartículas de los protones, neutrones y electrones. El Modelo Estándar no parece ofrecer una preferencia tan clara por la materia como para que el Universo sea como es, entonces ¿por qué no vemos mucha más antimateria?. El LHC podría ayudar a responder a esta cuestión.
  • Quark-Gluon plasma: como hemos comentado de pasada al principio del post, el LHC no sólo acelera protones, también acelera iones. Cuando se usan haces compuestos por iones pesados, en la colisión se alcanzan temperaturas 100000 veces por encima de la temperatura en el centro del Sol, recreando ambientes tales como los que se esperaría en el Universo temprano. Concretamente se crearía una especie de sopa densa y caliente llamada Quark-Gluon plasma. El estudio de estas condiciones es como una ventana a los orígenes del Universo y podría ayudar a entender cómo se formó la materia.

Esto son solo algunos ejemplos representativos. Existen muchas más cuestiones que se espera poder responder en el LHC, tales como la posibilidad de dimensiones espaciales extra, una quinta fuerza fundamental, dilucidar si el Higgs es elemental o, por el contrario, está formado por otras partículas, la energía oscura responsable de la aceleración del Universo, la explicación a la diminuta masa de los neutrinos…

¿Y a ti qué te importa todo esto?

Los estudios de la física fundamental, como los que acabamos de ver que se realizan en el LHC, no sólo son importantes para el desarrollo científico y tecnológico actual, sino que además, son la semilla de la ciencia y tecnología del futuro. El LHC es más que una ventana a los orígenes del Universo, es una ventana al ser humano del futuro.

Por el mero hecho de enfrentarse a situaciones nunca antes planteadas, la construcción de aceleradores de partículas como éste, son una fuente de desarrollo tecnológico de primera linea. El ejemplo más significativo fue el desarrollo de la WorldWideWeb en LEP, acelerador predecesor de LHC. Durante la década de los 80, Tim Berners-Lee desarrolló este medio global para que los físicos del CERN pudieran compartir sus datos y resultados. En la actualidad, como todos sabemos, las páginas web de internet se basan en el sistema www.

En el LHC el reto es aún mayor. Tengamos en cuenta que en el LHC hay alrededor de 150 millones de sensores que envían datos 30 millones de veces por segundo. Este enorme flujo de datos supone aproximadamente 50 000 000 GB por año, o lo que es lo mismo, una torre de 12 kilómetros de DVD’s al año. Para poder manejar toda esta cantidad de información, se creó el sistema GRID, una infraestructura que permite el almacenamiento de datos, y el análisis de éstos, para los miles de físicos que trabajan de cara al LHC. Quién sabe si en pocos años GRID estará detrás de nuestro día a día en Internet.

Pero no sólo eso, la construcción de LHC tiene un impacto directo sobre muchos campos de la Ciencia. Especialmente notables son sus contribuciones a la medicina, por ejemplo creando detectores de alta resolución que pueden ser usados en el campo de la detección por imágenes, a la ciencia aeroespacial, mediante tecnologías que trabajan en ambientes extremadamente límites, en la ciencia de materiales, y así un largo etcétera.

Pero, en mi opinión, la importancia de los descubrimientos del LHC está aún por venir y radica en la investigación a nivel fundamental que hemos visto que allí tiene lugar. Es difícil pensar en Carl Anderson, quién descubrió el positrón en 1932, respondiendo a la pregunta de para qué sirve esa extraña partícula que había descubierto. No obstante, esa partícula a día de hoy se usa para detectar tumores, entre otras aplicaciones, usando la tomografía por emisión de positrones. O en los padres de la mecánica cuántica pensando en aplicaciones para los extraños puzzles matemáticos a los que se enfrentaban.

Sin embargo, sin esos conocimientos no hubiera sido posible la creación del transistor, presente en todos los aparatos electrónicos a día de hoy. Hay un sin fin de ejemplos que podríamos seguir mencionando. Lo que está claro es que los descubrimientos que tienen que ver con la naturaleza en sus aspectos más fundamentales tardan en tener una aplicación directa sobre el conjunto de la sociedad, pero sientan las bases de la tecnología del futuro. Como dice David Kaplan: “puede que el LHC no haga más que entenderlo todo”.