El Gran Colisionador de Hadrones

Un instrumento gigantesco para desentrañar los misterios de lo más pequeño.

En junio de este año, después de muchos retrasos, empezará a funcionar el acelerador de partículas más grande y potente del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (o LHC, del inglés Large Hadron Collider), a un costo que podría llegar a los 10 000 millones de dólares. Se trata del dispositivo experimental más caro de la historia; con él se espera hallar el camino que debe seguir la física para entender más íntimamente. Es el Universo. Este proyecto se concibió en los años 70 y fue aprobado en 1994; se trata de una aventura internacional en la que participan varios centros de investigación de México.

Un acelerador, como su nombre indica, acelera partículas cargadas por medio de campos eléctricos y magnéticos. Las partículas luego chocan entre sí y de estas colisiones surgen nuevas partículas.

Grandes esperanzas

El LHC se construye a varias decenas de metros de profundidad, en la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra. Este acelerador de partículas consiste en un túnel circular de 27 kilómetros de circunferencia, con tramos que se encuentran a distintas profundidades (entre 50 y 175 metros). Por el túnel corren dos tubos dentro de los cuales circularán dos haces de partículas en sentidos opuestos. Las partículas, que van aumentando de velocidad con cada vuelta, se mantienen en trayectorias circulares por medio de enormes imanes superconductores. Cuando se alcanza la energía deseada, los haces se desvían y se hacen chocar entre sí en puntos específicos del acelerador, donde se encuentran los detectores. Al chocar con energías altísimas estas partículas se destruyen y producen partículas secundarias. Los físicos recogen los datos de la colisión por medio de distintos detectores especiales, y los comparan con las predicciones de las hipótesis o teorías que desean evaluar.

Los imanes superconductores que mantienen a las partículas en su curso operan a una temperatura de cuatro kelvin, es decir, cerca de 270 ºC bajo cero. A esa temperatura sus componentes pueden conducir electricidad sin perder energía en forma de calor (sin resistencia). Empero, al chocar los haces de partículas se producirán temperaturas de miles de millones de grados, como las que debieron existir en las primeras fracciones de segundo después del origen del Universo, hace unos 13 700 millones de años, cuando la materia posiblemente existía en una especie de sopa de partículas elementales en libertad. El LHC es el proyecto más ambicioso realizado hasta ahora por el CERN, siglas en francés de la Organización Europea de la Investigación Nuclear, antes Consejo Europeo para la Investigación Nuclear. El CERN se fundó en 1952 y se ha convertido en el centro mundial de la física de partículas. Allí trabajan científicos de los 20 estados miembros de la organización, así como de muchos otros países invitados.


El Modelo Estándar, obra en construcción

Se espera que con los experimentos que se realizarán en el LHC puedan solucionarse varios problemas del llamado Modelo Estándar: la teoría más general de la física, que describe toda la materia y fuerzas del Universo (excepto la fuerza de gravedad), y explica muchas de nuestras preguntas sobre su estructura e interrelación. Según esta teoría, que se gestó durante los años 70 y 80, la materia prima de todo cuanto existe está hecha de seis tipos de unas partículas llamadas quarks y seis de otras conocidas como leptones (el electrón es la más conocida de éstas)… ¿o tal vez no? Mejor vayamos por partes. Una manera sencilla de acercarse a la descripción del Modelo Estándar es dividiéndolo en tres secciones: partículas de materia, partículas mediadoras de fuerzas y el famoso bosón de Higgs, que lleva ese nombre porque fue previsto en 1964 por el físico británico Peter Higgs.



Los átomos están formados por protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones, a su vez, están compuestos de partículas más elementales, los quarks. Los quarks y los leptones son partículas “puntuales”, o sea, sin dimensiones, como los puntos. A diferencia de los leptones, que pueden existir de forma individual, los quarks sólo se encuentran formando partículas compuestas, que se conocen como hadrones (los protones y los neutrones son dos tipos de hadrones).

Las partículas tienen cuatro formas básicas de interactuar (de afectarse unas a otras), llamadas interacciones o fuerzas fundamentales: la gravedad y la fuerza electromagnética, que operan a larga distancia y que percibimos en el mundo macroscópico en el que vivimos; y dos fuerzas que sólo actúan en la escala del núcleo atómico: la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. El Modelo Estándar describe sólo las tres últimas; la gravedad no se ha podido incorporar a la descripción unificada de partículas e interacciones. Las fuerzas en el Modelo Estándar se comunican por medio de partículas portadoras, como si las partículas en interacción se lanzaran bolas de billar entre ellas para desviarse. Las partículas portadoras son el fotón para el electromagnetismo, los bosones W y Z para la interacción débil y los gluones para la fuerte. Si la gravedad se incorpora al modelo, estaría mediada por partículas llamadas gravitones, que aún no se han detectado en la naturaleza.


Hoy en día, la hipótesis más favorecida para explicarlo se conoce como mecanismo de Higgs. Éste tiene que ver con lo que los científicos llaman el campo de Higgs, un campo (como el campo gravitacional, digamos) que está presente en todo el espacio. Al interactuar con el campo de Higgs, las partículas fundamentales adquieren masa. Podemos imaginarlo como un inmenso platón de crema en el que se baña una fruta. La fruta sería la partícula y la crema sería la masa que adquiere al interactuar con el campo de Higgs. O bien como una celebridad tratando de trasladarse entre una multitud de admiradores; en ese caso, los fans son como el campo de Higgs y el artista como la partícula, que batalla para desplazarse mientras sus admiradores le piden autógrafos. Como todo campo, el de Higgs debe tener una partícula mediadora: el bosón de Higgs. Encontrarlo sería esencial para descubrir si realmente existe tal campo y así aclarar el enigma de la masa. Para conseguirlo, los físicos han puesto su confianza en el Gran Colisionador de Hadrones. Pero quedan aún muchas piezas sueltas en el rompecabezas del Modelo Estándar. Una de ellas, central para profundizar en nuestro conocimiento de la

naturaleza de las cosas, es el misterio de la masa. Llamarle misterio puede parecer absurdo, puesto que en la vida diaria todo tiene masa. El origen del problema es que, de acuerdo con el Modelo Estándar, todas las partículas verdaderamente fundamentales deberían carecer de masa. Sin embargo, salvo excepciones como el fotón, todas las partículas la tienen, hecho que la teoría debería poder explicar.