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Oct 2008

El LHC explicado por Gustavo Dotti, astrónomo e investigador

Archived in the category: General

La ciencia del LHC (“Máquina de Dios”) es básica, no aplicada. Es aquella que busca saciar la implacable curiosidad del hombre por conocer los mecanismos íntimos de la naturaleza.

Por Gustavo Dotti. Astrónomo. Docente de Famaf-UNC e investigador del Conicet  (y director de la tesis de doctorado de Diego, el de mi harem).
El pasado 10 de setiembre un primer haz de protones recorrió los 27 kilómetros de circunferencia del LHC (Large Hadron Collider o Gran Colisionador de Hadrones) y, como era de esperar, no ocurrió ninguna de las catástrofes vaticinadas en los medios más ingenuos. Cuando el experimento –hoy detenido por cuestiones técnicas– esté funcionando a pleno, el haz de protones circulará a nada menos que 11 mil revoluciones por segundo. Esto es casi la velocidad de la luz, límite inalcanzable para una partícula con masa, según nos enseñó Einstein. Tengamos en cuenta que, a 120 kilómetros por hora, daríamos poco más de 4 revoluciones al LHC… en una hora. Mantener este haz de partículas concentrado, y conducirlo por los tubos de vacío del acelerador no es tarea menor, requiere del uso de 1.500 imanes superconductores, cada uno de 30 toneladas de peso, funcionando a temperaturas cercanas al cero absoluto (273 grados centígrados bajo cero), temperatura que se mantiene usando 100 toneladas de helio líquido, el mayor sistema de enfriamiento de la historia.

Las condiciones son ciertamente extremas en el anillo del LHC del Cern (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares), a más de 100 metros de profundidad bajo la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra, pero no suponen peligro alguno, ni siquiera para los habitantes de Crozet, la apacible villa francesa ubicada exactamente sobre el anillo. No olvidemos que un puñado de partículas a velocidades cercanas a la de la luz no deja de ser un puñado de partículas… La energía de cada partícula es altísima (por eso hablamos de “física de altas energías”) sólo si tenemos en cuenta su insignificante masa, pero pequeñísima en términos macroscópicos. Que quede claro, en nada se parece el LHC a una usina nuclear.

¿Por qué queremos partículas de altas energías en el LHC? Para hacerlas chocar frontalmente con partículas igualmente aceleradas, liberando una energía aún mayor. ¿Con qué objeto? Einstein nos enseñó que la materia se puede convertir en energía: una partícula de masa M libera al desaparecer una cantidad de energía proporcional a su masa: E = Mc2, siendo c la velocidad de la luz. Esta es quizá la más famosa de las ecuaciones de la física.

Como sabemos, es la base de los procesos de generación de energía nuclear. Lo que no es tan conocido es que esta ecuación funciona en ambas direcciones: una cantidad de energía E puede “condensarse”, dando origen a una partícula de masa M, siempre que E = Mc2. En los aceleradores de partículas, permanentemente transformamos partículas de una especie en energía, que luego “condensamos” en partículas de otra especie. Es por esto que de una colisión pueden emerger partículas diferentes a aquellas que colisionan. Por ejemplo, de una interacción de un electrón con un positrón (su antipartícula) ¡emergen dos fotones! Y esto no sólo se logra en sofisticados laboratorios, este proceso ocurre por millones dentro del cuerpo de un paciente sometido a un estudio diagnóstico TEP (tomografía por emisión de positrones). En la TEP, los fotones resultantes de las interacciones de positrones con los electrones del tejido bajo estudio, son los que permiten generar la imagen requerida por los médicos.  

 

Física de partículas
La disciplina conocida como física de partículas intenta describir a las partículas elementales, constituyentes básicos de la materia, y sus interacciones. El desafío es tremendo: observar un complejo juego de ajedrez en el que intervienen varias decenas de piezas, y tratar de inferir las reglas subyacentes. La respuesta que han dado los físicos tras décadas de esfuerzo es el llamado “modelo estándar”, un complejo modelo matemático que describe exitosamente a las partículas visibles y al enorme conglomerado de fenomenología que resulta de sus interacciones. El bosón de Higgs, pretenciosamente llamado “partícula de Dios”, aunque tan de Dios como todas las demás, fue postulado hace más de 40 años, casi simultáneamente por varios físicos, entre ellos Peter Higgs. El Higgs tiene en el modelo estándar el rol privilegiado de darle a cada partícula su correspondiente masa. Sólo hay un problema… el Higgs nunca fue observado.

La situación no es nueva en física de partículas. De hecho, cuando el modelo estándar fue formulado en los años ’60 y ’70, sobraban mucho más piezas, partículas que fueron eventualmente descubiertas, ratificando a esta teoría como uno de los más grandes logros de la física de la segunda mitad del siglo 20.

El Higgs es la única pieza faltante, y la razón por la que no lo hemos visto aún es, probablemente, porque la energía desarrollada por los actuales aceleradores impide fabricarla en abundancia. Es que el Higgs tiene una masa de entre 100 y 200 veces la del protón, y además es altamente inestable, por lo que debe ser producido en cantidades apreciables para poder ser detectado. El LHC del Cern es la solución a este problema. Los protones de sus haces tienen una energía varias veces mayor que la que se logra en el mayor acelerador actual, el Fermilab de Chicago.

¿Para qué sirve? ¿Qué utilidad tendría detectar al elusivo bosón de Higgs? Hoy, ninguna de impacto tecnológico. La ciencia del LHC es ciencia básica, no aplicada. Es aquella que busca saciar la implacable curiosidad del hombre por conocer los mecanismos íntimos de la naturaleza. Existe el hombre, aquel que se limita a cumplir su ciclo vital, pero también existe el hombre deseoso por descifrar el mundo en el que vive. ¿Quién puede sentirse hoy cómodo con la idea de una Tierra plana sostenida por cuatro elefantes sobre una tortuga cósmica? El impacto a futuro del desarrollo de la ciencia básica es, no obstante, impredecible. Pensemos en Faraday, Ampère, Hertz, experimentando en el siglo 19 con fenómenos que Maxwell sintetizó de manera brillante en su teoría del electromagnetismo en 1865, año en que, curiosa referencia, se abolía la esclavitud en Estados Unidos. ¿Qué opinión se tendría en esos tiempos de los experimentos de Hertz para producir y detectar las ondas electromagnéticas predichas por Maxwell? Curiosa es la opinión del propio Hertz: “No tiene ninguna utilidad… es simplemente un experimento que confirma la teoría de Maxwell. Tenemos estas misteriosas ondas electromagnéticas que no podemos ver. Pero están ahí”. Pensemos en el impacto de estos estudios hoy. ¿Podría acaso concebirse la civilización actual sin telecomunicaciones, radares, GPS; sin los frutos de aquellos trabajos pioneros del siglo 19? Conviene, no obstante, recordar a los impacientes que, en experimentos como el LHC, hay una contribución inmediata que no debe ser desconsiderada: el desarrollo que resulta de la superación de los incontables desafíos técnicos que éstos plantean.

Fue la necesidad de transferir datos rápida y eficazmente entre el Cern y otros centros científicos donde son analizados, la que motivó a los científicos involucrados a crear, hacia 1990, la red Internet tal como hoy la conocemos. Internet es un mero subproducto de las actividades del Cern. Sin embargo, su impacto en la vida de millones de personas está fuera de discusión. El flujo de ideas en ciencia es extraño e impredecible.  

 

El Premio Nobel
El físico japonés-estadounidense Yoichiro Nambu estudió los efectos relacionados con ruptura de simetrías en sistemas físicos en los ’60 para explicar aspectos del fenómeno de superconductividad (conducción de electricidad sin resistencia), y luego advirtió que este mecanismo podría explicar el origen de la masa de algunas partículas elementales, teoría que fue finalmente completada por Higgs.

Las aplicaciones de la superconductividad son diversas: circuitos digitales, estaciones de telefonía celular, imanes superconductores usados en aparatos de imágenes médicas por resonancia magnética nuclear, y en el mismo LHC.

Hace pocos días la Academia Sueca informó que Yoichiro Nambu compartirá el Premio Nobel de Física 2008 con los físicos japoneses Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa. Kobayashi y Maskawa sugirieron que hay ligeras “violaciones” de simetrías en algunas interacciones entre partículas fundamentales. Las implicancias de este hecho, hoy comprobado, son notables, ya que explica en parte el ligero exceso de materia sobre antimateria en un estadio temprano del universo, sin el cual no habría galaxias, estrellas, planetas, ni vida alguna.

Para explicar esta asimetría, Kobayashi y Maskawa postularon, en 1972, una familia de quarks (constituyentes de neutrones y protones) que nunca había sido observada. Fue en 1995 cuando se detectó al “top quark” en el Fermilab, el último quark faltante de esta familia. La única partícula del modelo estándar que permanece oculta es el Higgs.  
¿Veremos al Higgs en el LHC?

Las características superadoras del LHC frente a aceleradores previos y su aplicación a la búsqueda del Higgs, le valieron el nombre de “Máquina de Dios”, exagerado recurso usado con la buena intención de atraer la atención pública hacia experimentos de tal magnitud, que requerirán el análisis durante años de cientos de físicos de decenas de países (Argentina presente).

Teorías más especulativas, no verificadas, indican que podrían crearse en el LHC más fenómenos, tales como súper-partículas (ingrediente esencial de las teorías de supercuerdas, en cuyo desarrollo preliminar Nambu tuvo un importante rol) o micro agujeros negros. El prefijo micro aquí es clave: estamos hablando de agujeros negros con la masa de una partícula elemental, que desaparecerían rápidamente, siguiendo un proceso de “evaporación” descubierto por Stephen Hawking. No comparemos con los agujeros negros súper masivos, como el situado en el centro de nuestra galaxia, los micro-agujeros negros no suponen ningún peligro. Más aún, si es posible producirlos en el LHC, ciertamente están siendo producidos en mucho mayor abundancia en procesos naturales enormemente más energéticos, como aquellos que se dan cuando los rayos cósmicos de altas energías ingresan a la atmósfera de nuestro planeta, en un medio que está fuera de control, y donde los físicos no pueden hacer mediciones.

Lo que nadie pone en duda, es que el Higgs debería ser observado. Que esto ocurra sería una buena noticia: confirmaría el modelo estándar en su totalidad. Que esto no ocurra también sería una buena noticia: indicaría que hay más física por descubrir, con impredecibles implicancias. Si bien gran parte de la comunidad de física de partículas no duda de su existencia, físicos destacados ya estudian otros mecanismos de generación de masa, alternativos al Higgs. Stephen Hawking, afecto a las apuestas, apostó 100 dólares a que el Higgs no será observado, y en una reciente entrevista de la BBC afirmó que, en su opinión, sería mucho más interesante que no exista.

Se esperan emociones fuertes para los físicos de partículas: la Máquina del Hombre ya está en marcha.  

 

Fuente: Dossier de prensa de la UNC. Publicado originalmente por La Voz del Interior, 17/10/2008. Sección: Opinión. Página A14.

 

2 comments for “El LHC explicado por Gustavo Dotti, astrónomo e investigador”

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Me encantó este post. Muy claro y didáctico. Felicitaciones al autor, y a Dayana por la idea de subirlo. Un beso graciela

October 20th, 2008 at 19:27
2
jose

creo que no me convencion mucho que digamos seguire investigando mas.

June 15th, 2009 at 18:12

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