El LHC: acercándose al Big Bang Understand article

Traducido por Francisco Barradas-Solas. El 10 de septiembre de 2008 a las 10:28 de la mañana, el mayor acelerador del mundo – el Gran Colisionador de Hadrones– fue puesto en marcha. Pero ¿por qué? En el primero de una serie de dos artículos, Rolf Landua del CERN y Marlene Rau del EMBL…

Cuando el Universo se formó en el Big Bang hace 13700 millones de años, una inmensa concentración de energía se transformó en materia en menos de una milmillonésima de segundo. Las temperaturas, densidades y energías implicadas fueron extremadamente altas. Según la ley de Einstein, E=mc², para crear una partícula material de una masa determinada (m), se necesita la correspondiente cantidad de energía (E), siendo el papel de la velocidad de la luz el de definir la tasa de cambio de la transformación. Así pues, las altas energías que siguieron al Big Bang podrían haber dado lugar a partículas de masa muy grande. Los físicos han propuesto estas hipotéticas partículas pesadas para explicar cuestiones aún sin resolver sobre la creación y composición de nuestro Universo.

Para investigar estas teorías, los científicos han construido el Gran Colisionador de Hadrones (llamado LHC por sus siglas en inglés). Si un tipo de partícula puede crearse en el LHC, el acelerador de partículas más grande del mundo, entonces se asume que también existió poco después del Big Bang. El LHC hará colisionar partículas prácticamente a la velocidad de la luz con las más altas energías cinéticas que son técnicamente posibles hoy en día (estas energías corresponden a las que se calcula que existieron 10^-12 después del Big Bang). Esto debería dar lugar a nuevas partículas con una masa mayor que la conseguida en los experimentos anteriores, permitiendo a los físicos poner a prueba sus ideas. Sin embargo y a pesar de lo que sugieren los medios de comunicación, la energía de las colisiones en el LHC será unas 10⁷⁵ veces menor que la del Big Bang (“gran explosión” en español) de modo que los temores de que se pudiera crear una “pequeña explosión” son infundados.

Las piezas de las que está hecha la materia: El modelo estándar

Desde los tiempos de los filósofos griegos, la gente se ha preguntado por la composición de nuestro mundo. ¿Es posible explicar la enorme diversidad de los fenómenos naturales – rocas, plantas, animales (humanos incluidos), nubes, tormentas, estrellas, planetas y mucho más– de forma sencilla? Las teorías y descubrimientos de los físicos en el último siglo nos han dado una respuesta; todo lo que hay en el Universo está hecho de un pequeño número de piezas llamadas partículas materiales, gobernadas por cuatro fuerzas fundamentales. El modelo estándar recoge la mejor explicación que tenemos de cómo aquellas se relacionan entre sí (ver imagen). Tras su desarrollo a principios de la década de los 1970, es en la actualidad una teoría física bien confirmada.

Hay dos tipos de partículas materiales, los leptones y los quarks. Ambos son puntuales (no mayores de 10^-19 m, la diezmilésima parte del diámetro de un átomo). Conjuntamente dan lugar a un grupo de doce partículas divididas en tres familias, cada una de las cuales consiste en dos leptones y dos quarks. La familia fundamental, compuesta por un quark up, un quark down y los dos leptones –un electrón y un neutrino – basta para explicar nuestro mundo visible. Las ocho partículas materiales de las otras dos familias no son estables y parecen distinguirse de la familia fundamental únicamente en que sus masas son mayores. Aunque el premio Nobel de física de 2008 se concedió por explicar el motivo de que estas otras partículas materiales puedan existir^w1, los físicos aún están intentando entender por qué hay precisamente ocho.

Las partículas materiales se pueden ‘comunicar’ entre sí de hasta cuatro formas diferentes intercambiando distintas partículas mensajeras, llamadas bosones (hay un tipo para cada una de las cuatro interacciones) y que pueden imaginarse como pequeños paquetes de energía con propiedades específicas. La intensidad y el alcance de estas cuatro interacciones (las fuerzas fundamentales) son responsables de la organización jerárquica de la materia.

La interacción fuerte, que es de corto alcance, mantiene unidos a tres quarks para formar hadrones (partículas formadas por quarks), como los protones (dos quarks up y uno down) y los neutrones (un quark up y dos quarks down) del núcleo atómico. Los quarks up tienen una carga eléctrica de +²/₃ , y los down de –¹/₃ , lo que explica la carga positiva de los protones y la carga nula de los neutrones.

Pero entonces, ¿cómo son atraídos los electrones por el núcleo para formar un átomo? Dado que los protones tienen carga eléctrica positiva y los electrones la tienen negativa, se atraen mutuamente mediante la fuerza electromagnética, que es de largo alcance, forzando a los electrones, que son ligeros, a colocarse en un orbital alrededor del núcleo, más pesado. Varios átomos pueden formar moléculas, que son la base material de la vida.

Dado que todas estas partículas tienen masa, también se atraen entre sí mediante la gravitación, pero esta fuerza de largo alcance – el tercer tipo de interacción– es tan extremadamente débil (unos 38 órdenes de magnitud más débil que el electromagnetismo) que sólo es relevante cuando a la atracción contribuyen muchas partículas. La atracción gravitacional combinada de todos los protones y neutrones de la Tierra es lo que evita que salgamos flotando al espacio.

Por último está la fuerza débil (que en realidad es más fuerte que la gravedad, aunque sí sea la más débil de las otras tres) cuyo alcance es muy corto y que permite la transformación de un tipo de quark en otro o de un tipo de leptón en otro. Sin estas transformaciones no habría radiactividad por desintegración beta, en la que un neutrón se transforma en un protón, es decir, un quark down se transforma en un quark up (ver Rebusco et al, 2007 para una discusión de la radiactividad por desintegración beta). Además, el sol no brillaría, ya que las estrellas obtienen la energía que radian del proceso de fusión nuclear (para más detalles, ver Westra, 2006), en el que un protón se transforma en un neutrón mediante la conversión de un quark up en un quark down, en otras palabras, el proceso inverso al de la radiactividad beta.

Aunque el modelo estándar ha servido bien a los físicos para entender las leyes fundamentales de la naturaleza, no alcanza a explicarlo todo. Una serie de preguntas siguen sin responder y los experimentos del LHC abordarán algunos de estos problemas.

Un problema “masivo”: El campo de Higgs

Una de las cuestiones aún abiertas es ¿por qué tienen masa las partículas (y por tanto la materia)? Si las partículas no tuvieran masa no habría ninguna estructura en el Universo, ya que sólo existirían partículas individuales sin masa moviéndose a la velocidad de la luz. Sin embargo, la masa de las partículas causa problemas matemáticos.

En la década de los 1960 se desarrolló una idea para explicar las fuerzas débil y electromagnética en el marco de la misma teoría, que describiría conjuntamente la electricidad, el magnetismo, la luz y algunos tipos de radioactividad como manifestaciones de una única fuerza subyacente llamada, de forma poco sorprendente, fuerza electrodébil. Pero para que las matemáticas de esta unificación funcionasen haría falta que las partículas portadoras tuvieran masa. Sin embargo, no estaba claro el mecanismo matemático para dotar de masa a estas partículas. Así, en 1964, los físicos Peter Higgs, Robert Brout y François Englert se inventaron una posible solución a este enigma. Sugirieron que las partículas adquirían masa mediante su interacción con un campo de fuerza invisible llamado campo de Higgs. Su partícula mensajera asociada se conoce como bosón de Higgs. El campo se extiende por todo el cosmos; cualquier partícula que interacciona con él (esta interacción puede verse como un tipo de fricción) adquiere masa. Cuanto mayor es la interacción, más pesadas resultan las partículas, mientras que las que no interaccionan se quedan sin nada de masa (ver el cómic).

Esta idea proporcionó una forma satisfactoria de combinar teorías bien establecidas con los fenómenos observados. El problema es que hasta ahora nadie ha detectado al escurridizo bosón. La dificultad de encontrarlo (si es que de verdad existe) reside en que la teoría no predice su masa, de modo que hay que buscarlo mediante el método de prueba y error.

Los físicos crean nuevas partículas a partir de colisiones de partículas de alta energía, y buscan entre ellas el bosón de Higgs. La búsqueda dura ya 30 años con energías cada vez mayores, pero aún no se ha encontrado la partícula, es de suponer que porque aún no se ha alcanzado la energía necesaria. Por lo que sabemos hasta ahora, la masa de la partícula de Higgs debe ser al menos 130 veces mayor que la del protón. Los científicos creen que la energía a la que llegará el LHC, siete veces mayor que la producida en cualquier otra colisión anterior debería bastar para detectar al bosón de Higgs.

Using high-energy particle collisions, pDos de los experimentos del LHC llamados ATLAS y CMS buscarán los rastros de la desintegración del bosón de Higgs que, según se cree, es muy inestable. Probar su existencia sería un gran paso para la física de partículas, ya que completaría nuestra comprensión de la materia. Sin embargo, si el bosón de Higgs no fuera descubierto, eso querría decir o bien que es aún más pesado de lo que el LHC puede detectar, o bien que, después de todo, simplemente no existe. En tal caso, una de las teorías alternativas que se han propuesto podría ser cierta. De lo contrario, los físicos teóricos tendrían que volver a empezar desde el principio para idear una teoría completamente nueva que explicase el misterio de la masa.

La cara oscura del Universo

Hay otro aspecto importante de la física de partículas que el modelo estándar no puede explicar; observaciones recientes han revelado que todo lo que “vemos” en el Universo (estrellas, planetas, polvo…) no da cuenta sino de un minúsculo 4% del total de su masa y energía (en forma de radiación y campos de vacío, por ejemplo el campo de Higgs). La mayor parte del Universo, sin embargo, está compuesta por sustancias invisibles, que no emiten radiación electromagnética y por tanto no pueden ser detectadas con telescopios o instrumentos similares. Estas sustancias sólo interactúan con la materia “normal” a través de la gravedad, pero no de las otras tres fuerzas fundamentales. Podemos, por tanto, detectarlas únicamente por sus efectos gravitacionales, lo que las hace muy difíciles de estudiar. Estas misteriosas sustancias son conocidas como materia oscura y energía oscura (de las que se habla en Warmbein, 2007, y Boffin, 2008).

Observaciones recientes sugieren que la materia oscura forma aproximadamente el 26% del Universo. La primera pista sobre su existencia viene de 1933, cuando observaciones astronómicas y cálculos de los efectos gravitacionales revelaron que debía haber más material presente en las galaxias y sus alrededores del que los telescopios podían detectar. Los investigadores creen ahora que el efecto gravitacional de la materia oscura no sólo hace que las galaxias giren más deprisa de lo que sería de esperar según su masa observable, sino que, además, el campo gravitatorio de la materia oscura desvía la luz de los objetos que están detrás de ella (actuando como lente gravitacional, fenómeno descrito brevemente en Jørgensen, 2006). Estos efectos se pueden medir y usarse para estimar la densidad de materia oscura aun cuando no sea posible observarla directamente.

Pero, ¿qué es la materia oscura? Según una idea podría estar formada por partículas supersimétricas, que son un conjunto hipotético de partículas emparejadas con las del modelo estándar; una para cada una de sus doce partículas (ver diagrama).

Según el concepto de supersimetría, se postula que para cada partícula material o mensajera (por ejemplo el electrón o el fotón, que es la partícula mensajera de la fuerza electromagnética) hay una pareja o compañera supersimétrica (en este caso serían el selectrón o el fotino, respectivamente). En un mundo supersimétrico, estas partículas tendrían cargas y masa idénticas a las de sus parejas del modelo estándar, pero su momento angular intrínseco (llamado espín y que se mide en unidades de la constante de Planck) diferiría en ¹/₂ unidad. Las partículas materiales tienen normalmente espín ¹/₂, mientras que las partículas mensajeras tienen espín 1. Cambiar el espín en media unidad transformaría las partículas materiales en mensajeras y viceversa.

Pero, ¿qué tiene que ver la supersimetría con la materia oscura? Si la teoría de la supersimetría es correcta, en el Big Bang se deberían haber producido muchas partículas supersimétricas. La mayoría de ellas serían inestables y se habrían desintegrado, pero las partículas supersimétricas más ligeras podrían ser estables. Y estas, las partículas supersimétricas más ligeras, podrían haber sobrevivido en el Universo para agruparse en grandes esferas de materia oscura que, según se cree, servirían de andamiaje para la formación de las galaxias y de las estrellas que hay en su interior.

Sin embargo, ninguna de estas partículas supersimétricas se ha detectado aún y puede ser, como en el caso del bosón de Higgs, porque sus masas sean tan grandes que estén fuera del alcance de aceleradores de partículas menos potentes que el LHC. Así que si existieran, aun las más ligeras habrían de ser muy pesadas; en lugar de tener la misma masa que sus parejas supersimétricas (tal como se propuso inicialmente) deberían tener masas mucho mayores. La supersimetría también se emplea para una posible explicación de otros problemas aún más complicados en física de partículas. Así que si alguno de los experimentos del LHC puede detectar estas partículas y medir sus propiedades, eso supondría un avance significativo en nuestra comprensión del Universo.

¿El antimundo perdido?

Ya hemos oído hablar de la materia, la materia oscura y la energía oscura, pero en el Universo primitivo aún había más; tenemos buenas razones para creer que una minúscula fracción de segundo tras el Big Bang, el Universo estaba lleno de cantidades iguales de materia y antimateria. Cuando se producen partículas a partir de energía – como en el Big Bang o en las colisiones de alta energía – siempre se crean junto con sus contrapartidas de antimateria. En cuanto una partícula de antimateria se encuentra con una de materia, ambas se aniquilan y este proceso de aniquilación vuelve a transformar su masa en energía. Así pues, en el Big Bang materia y antimateria deberían haber sido producidas en igual cantidad para aniquilarse mutuamente después de manera completa. Sin embargo, mientras que toda la antimateria producida en el Big Bang desapareció, una pequeña cantidad de materia sobrevivió al final del proceso, y de esto es de lo que estamos hechos en la actualidad. ¿Cómo pudo suceder algo así?

La antimateria es como una imagen especular de la materia. Para cada partícula de materia, existe una antipartícula de igual masa pero con propiedades inversas; por ejemplo, el electrón, de carga negativa, tiene una antipartícula cargada positivamente llamada positrón. La antimateria fue postulada en 1928 por el físico Paul Dirac, que desarrolló una teoría que combinaba la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad especial de Einstein para describir las interacciones de los electrones con velocidades próximas a la de la luz. La ecuación fundamental por él deducida resultó tener dos soluciones, una para el electrón y otra para una partícula de igual masa pero con carga positiva (lo que hoy sabemos que es un positrón). En 1932 se encontraron las pruebas que demostraban la corrección de estas ideas al descubrirse que los positrones estaban presentes de forma natural en los rayos cósmicos. Estos rayos chocan a muy alta energía con partículas presentes en la atmósfera terrestre; en estas colisiones se siguen produciendo ahora mismo positrones y antiprotones.

Durante los últimos 50 años, laboratorios como el CERN han producido rutinariamente antipartículas mediante colisiones y las han estudiado, demostrando con una muy alta precisión que sus propiedades estáticas (masa, carga y momento magnético) son de verdad iguales que las de sus contrapartidas de materia. En 1995, el CERN fue el primer laboratorio que creó de manera artificial antiátomos a partir de antiprotones y positrones.

Si las cantidades de materia y antimateria fueron originalmente iguales, ¿por qué no se aniquilaron mutuamente en su totalidad no dejando tras sí nada salvo radiación? El hecho de que la materia sobreviviera mientras que la antimateria haya desaparecido sugiere que hubo un desequilibrio en los primeros momentos, dejando una minúscula fracción sobrante de materia. Es este residuo del que las estrellas y las galaxias, y nosotros, estamos hechos. Los físicos se preguntan de dónde pudo haber surgido este desequilibrio.

Uno de los experimentos del LHC (LHCb) busca comprender mejor la desaparición de la antimateria estudiando la tasas de desintegración de los quarks b – pertenecientes a la tercera familia de quarks (ver el diagrama del modelo estándar) – y comparándolas con las de los quarks anti-b. Ya se sabe que sus tasas de desintegración son diferentes, pero se espera que unas medidas más detalladas permitan adquirir nuevas y valiosas perspectivas sobre los precisos mecanismos que hay tras este desequilibrio.

La sopa primigenia

Para responder a todas las preguntas anteriores los físicos harán colisionar protones en el LHC. Sin embargo, durante parte del año se acelerarán y harán chocar haces de iones de plomo y los productos de estas colisiones serán analizados por ALICE, el cuarto gran experimento de LHC (junto con ATLAS, CMS y LHCb).

Unos 10^-5 segundos tras el Big Bang, en una fase “posterior” del Universo en la que ya se había enfriado a unos “simples” 2 billones (2·1012) de grados, los quarks se unieron para formar protones y neutrones, que luego dieron lugar a núcleos atómicos (ver la imagen de la historia del Universo). Y ahí permanecen los quarks, unidos entre sí por gluones, que son las partículas mensajeras de la fuerza fuerte (ver el diagrama del modelo estándar). Dado que, a diferencia de otras fuerzas, la intensidad de la fuerza fuerte entre quarks y gluones aumenta con la distancia, en los experimentos no se han podido separar quarks o gluones aislados de los protones, neutrones u otras partículas compuestas –tales como los mesones–. Los físicos dicen que los quarks y los gluones están confinados en estas partículas compuestas.

Sin embargo, suponiendo que fuera posible invertir este proceso de confinamiento, el modelo estándar predice que, a temperaturas muy altas y densidades muy elevadas, los quarks y los gluones podrían existir libremente en un nuevo estado de la materia conocido como plasma de quarks y gluones, consistente en una “sopa” densa y caliente de quarks y gluones. Tal transición debería ocurrir al superar la temperatura los 2 billones de grados, unas 100 000 veces más que en el centro del Sol. Unos 10^-6 s tras el Big Bang y durante unas pocas millonésimas de segundo, la temperatura y la densidad del Universo eran suficientemente grandes como para que todo el Universo estuviera en el estado de plasma de quarks y gluones. El experimento ALICE recreará estas condiciones en el volumen de un núcleo atómico y analizará las señales resultantes en detalle para comprobar la existencia del plasma y estudiar sus características.

En el Segundo artículo (Landua, 2008), Rolf Landua presenta la tecnología del LHC y sus cuatro grandes experimentos: ATLAS, CMS, LHCb y ALICE.

References

• Boffin H (2008) “Intelligence is of secondary importance in research.” Science in School 10: 14-19. www.scienceinschool.org/2008/issue10/tamaradavis
• Jørgensen, UG (2006) ¿Hay planetas como el nuestro alrededor de otras estrellas? Science in School 2: 11-16. www.scienceinschool.org/2006/issue2/exoplanet/spanish
• Landua, R (2008) The LHC: a look inside (El LHC por dentro). Science in School 10: 34-45. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhchow
• Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusión en el Universo: el origen de la joyería. Science in School 5: 52-56. www.scienceinschool.org/2007/issue5/fusion/spanish
• Warmbein B (2007) Making dark matter a little brighter. Science in School 5: 78-80. www.scienceinschool.org/2007/issue5/jennylist
• Westra MT (2006) Fusión en el Universo: la energía del Sol. Science in School 3: 60-62. www.scienceinschool.org/2006/issue3/fusion/spanish

Web References

• w1 – El premio Nobel de Física 2008 se concedió conjuntamente a Yoichiro Nambu ‘por el descubrimiento del mecanismo de ruptura espontánea de simetría en la física subatómica’ y a Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa ‘por el descubrimiento del origen de la simetría rota que predice la existencia de al menos tres familias de quarks en la naturaleza’. Para más detalles sobre su trabajo, ver: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/press.html

Resources

Se puede encontrar una explicación mucho más detallada del modelo estándar y los experimentos del LHC en el libro (en alemán) de Rolf Landua:

• Landua R (2008) Am Rand der Dimensionen. Frankfurt, Germany: Suhrkamp Verlag
• La web de la NASA tiene una Buena descripción de la teoría del Big Bang: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_theory.html
• La web La Aventura de las Partículas proporciona actividades para la enseñanza, incluyendo una buena explicación del modelo estándar: http://particleadventure.org

Para saber más sobre el bosón de Higgs, ver:

• The Heart of the Matter: Inside CERN: www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html
• La página web interactiva del National Geographic sobre el bosón de Higgs: http://ngm.nationalgeographic.com/2008/03/god-particle/particle-interactive.html
• Y el artículo correspondiente del National Geographic: http://ngm.nationalgeographic.com/2008/03/god-particle/achenbach-text

Para saber más sobre la antimateria, ver:

• La web Live from CERN, que explica lo que es la antimateria, dónde se produce y de qué manera ya es parte de nuestras vidas: http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter
• La web del CERN, con información sobre Ángeles y Demonios y material científico de respaldo sobre la antimateria: http://public.web.cern.ch/Public/en/Spotlight/SpotlightAandD-en.html
• La web oficial de la película Ángeles y Demonios: http://www.angelsanddemons.com
• Un portal con las diez principales webs sobre la antimateria: www.anti-matter.org
• Un video de BBC/OU/VEGA que explica la antimateria disponible en línea: www.vega.org.uk/video/programme/14
• Para una introducción a la supersimetría, ver: http://hitoshi.berkeley.edu/public_html/susy/susy.html

Para saber más sobre la material y la energía oscuras, ver:

• Un conjunto de recursos multimedia para la enseñanza de la material oscura proporcionado por el Perimeter Institute for Theoretical Physics: http://www.perimeterinstitute.ca/Perimeter_Explorations/
• The_Mystery_of_Dark_Matter/The_Mystery_of_Dark_Matter
• Un vídeo sobre las pruebas acerca de la materia oscura obtenidas por el telescopio espacial Hubble en la web Space.com: www.space.com/common/media
• /video.php?videoRef=150407Dark_matter
• Un vídeo sobre la búsqueda de la materia y la energía oscuras por parte de la física Patricia Burchat: www.ted.com/index.php/talks/
• patricia_burchat_leads_a_search_for_dark_energy.html
• Un artículo que explica la energía oscura en la web de Physics World: http://physicsworld.com/cws/article/print/19419
• Para información sobre el plasma de quarks y gluones, incluyendo un cómic (disponible en inglés, francés, italiano y español) sobre la sopa de quarks y gluones, ver el rincón para niños de la web del experimento ALICE: http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html

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Author(s)

Rolf Landua es el responsable de Educación del CERN, donde lleva trabajando desde 1980. Este físico de partículas alemán es el co-fundador de la fábrica de antimateria del CERN y dirigió el proyecto ATHENA, que creó millones de átomos de antihidrógeno en 2002. Es secretamente famoso por ser el modelo para el personaje de Leonardo Vetra, un físico del CERN experto en antimateria asesinado en las primeras páginas del bestseller de Dan Brown Ángeles y Demonios y transformado en una película de Hollywood a estrenar en mayo de 2009. Organiza en el CERN cursos para profesores de física de toda Europa y participa regularmente en programas de radio y televisión. Recientemente ha publicado un libro en alemán sobre la física de partículas del CERN (Am Rand der Dimensionen, En la frontera de las dimensiones; ver la sección de recursos). Por su entrega al fomento de la educación científica en las escuelas recibió el premio de comunicación de la Sociedad Europa de Física en 2003.

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