Colisiones subatómicas para entender el big bang

El acelerador de partículas de Ginebra fue concebido para dar respuesta a las mayores preguntas del universo

27 kilómetros de circunferencia y 8000 millones de euros a 100 metros bajo tierra para descubrir lo que pasó hace 13700 millones de años. Son algunas de las asombrosas cifras del Gran Colisionador de Hadrones del CERN (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear), en Ginebra. Según la propia página web del laboratorio, alrededor de 3000 científicos de todo el mundo trabajan en la Meca de la Física de Partículas para dar respuesta al qué, al porqué y al cómo de lo que nos rodea mediante el experimento más sofisticado del mundo.

José Juan Blanco Pillado, físico e investigador especializado en cosmología de la Universidad del País Vasco, explica el objetivo fundamental de la gran máquina: “alcanzar colisiones de hadrones en energías cada vez más altas”. En este sentido, el acelerador es el medio más avanzado del que se dispone para lograrlo, dice el científico. Mediante él, podrían encontrarse respuestas al significado de la masa, al número de partículas totales del átomo, al origen de la materia oscura y del cosmos y a preguntas que aún ni siquiera han sido formuladas.

Los hallazgos realizados y los venideros son el fruto no ya de horas, días o meses, sino de lustros de trabajo. El CERN, fundado en 1954 y situado en la frontera entre Suiza y Francia, es el mayor laboratorio de física de partículas del mundo. “Yo mismo he ido varias veces—recuerda el profesor—, y es algo único. Da unas ganas locas de ponerte a trabajar. Es como cuando vas a ver al Athletic, que los aficionados van con sus camisetas todo emocionados. Pues allí es lo mismo, pero con el objetivo de hacer ciencia. Saber que todo el mundo, el teórico, el ingeniero… estamos a lo mismo, me motiva mucho”.

El funcionamiento la magnum opus del CERN es a su vez sencillo y complejo: mediante potentes campos magnéticos, se aceleran grupos de miles de millones de protones a través de tres anillos circulares, de manera que su velocidad y, por tanto, su energía es cada vez mayor. Estos grupos realizan el mismo recorrido, en tubos paralelos y en sentidos opuestos. Luego, se inyectan en el Large Hadron Collider (LHC), que se activa a máxima potencia, hasta hacer viajar a los protones al 99,99% de la velocidad de la luz (concretamente, a 10 kilómetros por hora menos). El final es, literalmente, impactante: los tubos convergen y las partículas chocan, generando 600 millones de colisiones en un solo segundo, protón a protón. “En cierto modo, es un método algo brusco”, bromea el científico.

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Diagrama de la estructura de los componentes del Gran Colisionador de Hadrones. Los protones son acelerados desde el primero de los anillos, el más pequeño, hasta que tienen la energía suficiente para pasar a la etapa final, el LHC, donde sucede la colisión.  Imagen: El Tamiz, publicado bajo CC 2.5 License.

Para entender mejor dicho experimento, el profesor propone una gráfica analogía: “Si yo quiero entender cómo funciona un reloj, lo primero que tengo que ver es cuáles son los constituyentes del mismo. Entonces, lo tiro contra la pared, lo destrozo y miro lo que queda”. De esta forma “muy basta”, reconoce, funcionan los aceleradores. “Por supuesto, luego quieres hacer esto muchas veces, para identificar todas las partículas que salen [del reloj] y cómo salen. El cómo explica la interactuación de los componentes —describe—. Siempre que sale una cebolla, sé que el reloj no es digital”.

Una foto del recién nacido

Todo ello para obtener una imagen clara del principio del cosmos. El estudiante de Física de la Universidad del País Vasco Alberto Almazán esclarece las motivaciones de este experimento, que van más allá de las partículas en sí: “Queremos obtener una fotografía del inicio del universo, cuando apenas tenía unos microsegundos. Se trata de rebobinar la cinta: antes de nosotros, se formaron las estrellas. Mucho antes que eso, lo hicieron los átomos, y su núcleo. Pero al retroceder, no sabemos nada”. Instantes después de la explosión más famosa y misteriosa, el big bang, no se sabe qué fue exactamente lo que ocurrió. “Este acelerador podría darnos las claves, siempre y cuando la energía de las colisiones sea la suficiente como para recrear las condiciones del inicio de los tiempos, literalmente”, aclara.

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Fotografía del timeline del universo. A la izquierda del todo, el big bang; a la derecha del todo, la época actual (expansión acelerada de las galaxias ya formadas). Foto: NASA/WMAP Science Team – V.O.: NASA; modificado por Ryan Kaldari.

Las partículas están por todas partes. Tal  y como detallan Antonio Ferrer Soria (Catedrático de la Universidad de Valencia) y Eduardo Ros Martínez (del Institut de Física Corpuscular) en su Física de partículas y de astropartículas (edición de 2005), son las piezas con las que se construye la materia que vemos y la que no. “Como el Lego”, afirma Almazán entre risas. “Lo que hace que la materia tenga formas distintas es la agrupación de dichos ladrillos subatómicos, que se denominan partículas elementales”. Por lo que, para entender el reloj, debemos entender las piezas que lo componen.

La estructura de la materia se describe mediante la teoría del modelo estándar, como se explica en el libro de Ferrer Soria y Ros Martínez. “El modelo —dice Blanco Pillado— es un gran paso en la organización del sistema de partículas. Al investigar el átomo vemos que está compuesto por un electrón, un protón, un neutrón… cuando miras más allá, el electrón parece puntual [indivisible] pero los otros dos no. Llegó un momento en el que se vio que todas las piezas podían agruparse en una estructura, una organización”. Mediante esta creación de familias aparecieron los quarks, los electrones, los muones, los taus, los neutrinos y demás. Una matrioska de la materia.

“Después lo que hay que describir son las fuerzas con las que pegas todos ellos: el electromagnetismo, la fuerza fuerte, la débil y la gravitatoria —numera el cosmólogo—. El modelo estándar, por tanto, clasifica los bloques con los que vas a construir tus partículas y las interacciones entre ellas”.

Dicha teoría fue concebida en los años 70 y desde el CERN se intenta corroborar la estructura que ofrece. “Hoy en día y hasta cierta energía, el modelo funciona muy bien, desgraciadamente pues nos gustaría que hubiera datos experimentales que indicasen que algo se sale de lo teorizado, para poder avanzar“, sentencia con ironía Blanco. “Por supuesto que tiene sus lagunas, pero el modelo estándar es una de las teorías más fuertes y más corroboradas experimentalmente”, añade Alberto Almazán.

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Esquema del modelo estándar de partículas y fuerzas. En morado los quarks, en verde los leptones y en azul las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. La unión de estos elementos forma la materia que somos, vemos y tocamos. Elaborado por: De Joniale.
El ansiado bosón

El método seguido por el LHC, aunque “brusco” como decía el experto, es eficaz y ya ha confirmado la existencia de varias partículas. El bosón de Higgs, predicho por el físico Peter Higgs, fue con toda probabilidad su hallazgo más espectacular. “La partícula de Dios”, como muchos la denominan, es la que explica la masa que se puede medir de las piezas fundamentales de los átomos, si bien su origen o el por qué de las diferencias de masa entre unas y otras sea aún un misterio, como se explica en la web del CPAN (Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear).

“Explicar el funcionamiento del Higgs con una analogía es complicado— reconoce Blanco—. Imaginemos que estoy en el centro de Bilbao y me pongo a andar. Me paro con tres personas que conozco pero llego fácilmente a mi destino. Ahora en cambio, está Aritz Aduriz [delantero del Athletic de Bilbao] en el centro y empieza a caminar. Se tiene que parar con todo el mundo a hacerse fotos y a firmar. La ‘resistencia’ de Aduriz es mucho mayor, por lo que su interacción con la gente también”. De este modo, el futbolista del Athletic es el análogo de cualquier porción de materia (con masa) que quiera moverse: su interacción con el campo de Higgs, la gente que le para por Bilbao, determina su masa. Entonces, una partícula que interactúe en mayor medida con el campo de Higgs, como el delantero con los aficionados, tiene en consecuencia una masa mayor.

Otra de las incógnitas de los científicos del CERN es saber hasta dónde pueden llegar con la potencia del LHC. En otras palabras, cuál es el límite. “Primero vamos a seguir probando la eficacia del modelo estándar en estas energías, cada vez con mayor precisión—comenta el cosmólogo—, para entender las cosas mejor. Pero, a su vez, estamos haciendo descender el límite de nuestra ignorancia. Como un explorador que llega a un punto y dice ‘bien, hemos conocido la tierra hasta aquí. Lo que quede más allá, en la próxima expedición lo miraré”. De manera similar a los mapas de los vikingos, en los que se ilustraban las lejanas tierras inexploradas como una gran cascada hacia un tremendo abismo. “Cuando entendamos la física en estas condiciones, en el siguiente acelerador ya iremos más lejos”, aventura el físico.

27 kilómetros de circunferencia y 8000 millones de euros invertidos a 100 metros bajo tierra para descubrir lo que pasó hace 13700 millones de años. Cada paso que se da en Ginebra resuelve una pregunta y plantea muchas más. Pero los científicos como José Juan Blanco Pillado y Alberto Almazán seguirán trabajando en ello, porque, según apuntan ambos, “es lo único que se me da bien”.

Foto de portada: home.cern


Enlaces de interés (fecha de consulta 29/05/2017):


“Colisiones subatómicas para entender el big bang” es uno de tantos reportajes realizados por alumnos de primer curso de Comunicación en la Universidad del País Vasco, el resultado de un gran trabajo de documentación y redacción. Por ello estoy tremendamente agradecido al profesorado y al equipo de redactores de eldiario.es por valorar y recompensar dicho esfuerzo al publicarlo, junto a otros excelentes artículos de excelentes alumnos, en la sección “Gazteberri” del medio.

Colisiones subatómicas para entender el big bang (eldiario.es)

Un premio así hace que la labor de transmitir conocimientos científicos complejos en un lenguaje simple y atractivo para que la ciencia llegue a todos merezca la pena. Para un aprendiz que quiere dedicar su futuro a ello, es tremendamete satisfactorio. Muchísimas gracias.

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