¿Para qué gastar dinero en el LHC?

by Quantum:

He estado hablando con unos amigos y me han comentado que no tienen ni idea de para qué carajo hay que gastar tanto dinero en construir una máquina gigantesca que no sirve para nada útil. Un juguete para físicos.  Bueno ha sido divertido, y aquí os presento mi opinión al respecto.

¿Qué es el LHC?

El ser humano desde sus origenes, esto siempre queda bien decirlo, ha estado intrigado por la constitución íntima de la materia.  Desde los griegos se venía especulando con la existencia de átomos como bloques de constitución de la materia al nivel más elemental.  Bueno, no tengo intención de hablar aquí sobre Daltón, Thomson y demás modelos atómicos (aunque es una historia ciertamente excitante).  Lo que sabemos a día de hoy, más o menos es lo siguiente:

• La materia está compuesta fundamentalmente por moléculas.
• Las moléculas son agrupaciones de átomos que se unen entre sí por obra y gracia de la cuántica a través de la interacción electromagnética.
• Los átomos no son más que pequeños granos conformados por protones y neutrones, el núcleo, y electrones orbitando por ahí (orbitando por decir algo porque ya veremos que de orbitas nada).
• Pero es que ahí no acaba la historia, por el momento los electrones son partículas elementales, lo que quiere decir que no ha habido forma de ver si tienen estructura interna.  Pero los protones y los neutrones se han visto que tienen estructura y que están conformados por uniones de partículas más pequeñas denominados quarks.

Aquí no estoy interesado en comentar las obras y milagros de tales partículas, lo que dará para varias entradas, lo que me gustaría es decir:  ¿Cómo se ve dentro de una partícula? ¿Cómo aprendemos de las mismas si son tan pequeñas?

Pues aquí es donde viene toda la historia.  Para «ver» dentro de una partícula solo hay que seguir a Rutherford que fué el que nos dio la clave.   Lo que tenemos que hacer es lanzar partículas con mucha energía y destrozar literalmente las partículas que queremos ver para que «vomiten» lo que llevan dentro.

Ese es el fundamento de los aceleradores de partículas.  Un acelerador toma ventaja de que tenemos partículas cargadas.  Las partículas cargadas sienten el campo electromagnético, así que con combinaciones de campos eléctricos y magnéticos podemos acelerarlas.  Pero claro, necesitamos energías muy altas… muy muy altas, así que hay que buscar un buen circuito donde acelerar las partículas.

Las opciones no son muchas, o bien hacemos un tubo lineal donde acelerarlas, y entonces tiene que ser muy muy largo.  O bien, nos las ingeniamos para tener un tubo circular y así poder ir dadonle impulso y aceleración en el tubo hasta que decidamos lanzarlas con el blanco.  (De hecho lo que hacemos es acelerar el blanco y el proyectil hasta la energía deseada y luego los metemos en el mismo tubo donde colisionan).

Así que el LHC es un acelerador de partículas, para que tengan la energía necesaria para ir desvelando los entresijos de la materia a escalas cada vez más pequeñas.

¿Por qué es esto interesante para los físicos?

Con el advenimiento de la mecánica cuántica la estructura de la materia empezó a cobrar sentido.  Por primera vez teníamos una teoría que explicaba la constitución atómica, la estabilidad de la materia, la tabla periódica, el enlace químico, etc.  Pero no quedó ahí la cosa, Paul M. Dirac junto a otros tuvo a bien unificar la cuántica con la relatividad especial y con esto la cosa se volvío increiblemente interesante.  Para empezar se predijo la existencia de la antimateria, y luego se llegó a la teoría cuántica de campos, esta teoría era la adecuada para explicar las interacciones que actúan a nivel nuclear, la interacción débil y la fuerte y además el electromagnetismo.  Vamos un pasote.

Lo que quedó claro es que energía y materia están relacionado, ya sabeis la ecuación de Einstein, así que a mayor energía hay mayor probabilidad, según la teoría cuántica, de encontrar partículas más pesadas que a nuestro nivel energético cotidiano no vemos.

Así que los físicos empezaron a estudiar estas cosas.  Y a hacer experimentos para contrastar las predicciones teóricas.  Y pasó lo que tenía que pasar, en un determinado momento se encontraron partículas que parecía electrones pero más pesados (los leptones, como el muón o el tauón) en los rayos cósmicos y otro tipo de partículas que eran como protones y neutrones pero con caprichosas características.  El problema con estas partículas, y lo bueno también, es que no viven mucho tiempo.  Se desintegran en otras partículas, esto es porque estás partículas son más pesadas (tienen más energía) y por lo tanto tienden a un estado de menor energía y acaban por desintegrarse en partículas más livianas.  Y todo esto se puede explicar con la teoría cuántica de campos.  Y el modelo que explica todas estas partículas, todas ellas compuestas de quarks y leptones se llama modelo estándar.

Pero claro, el modelo estándar empieza a escupir predicciones y a presentar problemas.

Para no agobiar sólo pondré una predicción y un problema (hay muchísimas más, tanto de predicciones como de problemas):

Predicción:  Las interacciones se dan por el intercambio de unas partículas mensajeras denominadas bosones.

a) el electromagnetismo viene mediado por los fotones.  Y fotones tenemos por todos los sitios.

b) la interacción débil viene mediada por bosones Z que es neutro, y W que hay postivo y negativo.

c) la interacción fuerte viene mediada por bosones denominados gluones (hay ocho de estas partículas teóricamente)

Pues bien,  el caso es que había que comprobar la existencia del Z y el W, y por supuesto de los gluones.  Y para ese fin se construyo el LEP que era el acelerador anterior del CERN. Y se encontraron.  Fué algo increible, la teoría funcionaba a la perfección.

También se vieron los quarks de una forma más nítida y entendimos mejor como se comportan estos bichos.

Pero resulta que para encontrar tales partículas hay que tener mucha energía, y si queremos seguir viendo más cosas hay que tener aún mucha más.

Problema: Hay un ligero problema en el modelo estándar.  Dicho modelo no entiende de masas, dicho de otro modo, según el modelo las partículas no deberían de tener masa.  Eso es chungo, porque la tienen y porque la podemos medir, así que hay que explicar por qué las cosas tienen masa.

Y aquí entra el invitado estrella, el señor Peter Higgs propone un modelo (que explicaremos en otro momento) que da masa a las partículas del modelo estándar.  Pero claro, en esta teoría, que se formula según las reglas de la teoría cuántica de campos, encontramos que deberían de existir una partícula que llamamos bosón de Higgs.

¿Cómo ver esa partícula?  Pues hay que provocar colisiones mucho más energéticas así que hay que emplear un acelerador más grande (de más potencia) y así que cerraron LEP y construyeron LHC.

Si has llegado hasta aquí entonces te mereces que te diga lo que significan esas siglas:

LEP = Large Electron-Positron  = Que viene siendo el gran (colisionador) de electrones y positrones.  Lo que hacía este aparato era acelerar electrones y positrones (el positrón es un antielectrón por tanto tiene la misma masa y carga opuesta) y hacerlos colisionar.

LHC= Large Hadron Colider = Que es el gran colisionador de hadrones, los hadrones son las partículas formadas por quarks que sienten la interacción fuerte.  En LHC se hacen colisonar protones a muy alta energía.  Recordemos que un protón tiene una masa 2000 veces superior al electrón (positrón) por tanto acelerarlos a la misma velocidad implica más energía.  Y recordemos que en un protón hay 3 quarks, así que en realidad en el LHC se dan colisiones de 6 partículas.

Por tanto en el LHC veremos la estructura de la materia a niveles muy muy básicos.  Los objetivos fundamentales del LHC son:

a)  Encontrar la partícula de Higgs y confirmar si hemos entendido teóricamente por qué las partículas tienen masa.

b)  Encontrar la supersimetría.  No voy a entrar aquí en detalles, pero para que el Higgs funcione se ha de dar la existencia de otras partículas que serían versiones más pesadas de las que vemos ahora, a estas se denominan s-partículas.  Un electrón tendría un compañero supersimétrico denominado s-electrón.  Eso tampoco lo vemos a nuestro alrededor así que tendremos que encontrarlos en energías más altas.

c)  Dimensiones extra:  Esta es una propuesta que es posible sobre la base de la física conocida.  Pero hasta la fecha no las hemos visto.  Pero hay propuestas teóricas de que si uno va más allá de la energía de LEP (energía electrodébil para más señas) uno verá señales de la existencia de dimensiones extra.  Una que fué muy famosa fué la aparición de microagujeros negros, que no, no destruiran la tierra, pero esa ya es una vieja historia.

d)  Sopas de quarks-gluon:  Esta es un «estado de agregación» que podrían presentar los quarks junto a los mediadores de la interacción débil que no ha sido vista pero que sería muy intersante de comprobar.

Todo esto no sólo es interesante desde el punto de vista de entender la estructura de la materia, también lo es para entender la evolución de nuestro universo.  Nuestro universo en el pasado estaba más caliente y por tanto era más energético, así que todas estás partículas y cosas extrañas tuvieron que estar presente en algún momento en nuestro universo.  Y eso ha dejado señales a nivel cosmológico.  Así que, para comprender la cosmología hemos de comprender muy bien la estructura de la materia.

¿Y a mí para qué me sirve?

Esa es una pregunta genial, porque a simple vista esto es un empacho mental de los físicos sin repercusión alguna en la sociedad.

Nada más alejado de la realidad.  Dejadme hacer una lista:

1. Tenemos miles de colisiones a muy alta energía.  Colisiones de 6 cuerpos que darán productos muchos.  Todos los datos de los detectores han de ser almacenados y tratados computacionalmente.  ¿Qué significa eso?  Que tienen que desarrollarse procesos de transmisión segura y eficiente de datos y sistemas de software que sean capaces de pelearse con cantidades astronómicas de bites de información.   Y claro, eso implica que todos esos sistemas serán exportados a la sociedad.  (Como lo fue internet, que a pesar de la leyenda de que era un sistema militar, su diseño original fue hecho en el CERN).
2. Hemos de acelerar cosas pequeñas y almacenarlas.  Para acelerar cargas hemos de conseguir campos magnéticos muy intensos.  Y eso hace que sea necesario todo un trabajo original de generación de campos magnéticos intensos a bajo coste, por tanto empleando superconductores.  Y eso repercutirá en la sociedad.
3. En el CERN se crearán subproductos tanto tecnológicos como informáticos que serán exportados a la sociedad.  Como hicieron con el PET o la resonancia magnética nuclear.  Porque básicamente es una buena forma de financiación y porque no hay ninguna gana de quedarse en secreto estos adelantos.

Tengamos en cuenta que el CERN no puede vivir de la investigación científica básica pura y dura, ha de demostrar que es útil para la sociedad.  Y ciertamente lo es.  Es un error pensar que es un pozo donde tiramos el dinero, más bien es una magnífica inversión y de lo mejorcito que ha hecho la comunidad interancional en mucho tiempo.

Así pues, el LHC sirve y para mucho…  sólo nos queda esperar a ver que sacamos de ahí, sea lo que sea, será impresionante.