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El significado de la física de partículas y su papel en el universo

El significado de la física de partículas y su papel en el universo Detalle del núcleo del detector CMS que tiene 15 metros de altura. Foto: CERN Una disciplina cuyos hallazgos prometen revolucionar nuestra forma de ver el universo. Los últimos meses han sido muy movidos para la física de partículas. Noticias como el supuesto avistamiento de neutrinos más rápidos que la luz y la posible detección del ansiado bosón de Higgs causaron revuelo. Pero la ciencia funciona a base de pequeños incrementos (...)

El significado de la física de partículas y su papel en el universo

Detalle del núcleo del detector CMS que tiene 15 metros de altura. Foto: CERN

Una disciplina cuyos hallazgos prometen revolucionar nuestra forma de ver el universo.

Los últimos meses han sido muy movidos para la física de partículas. Noticias como el supuesto avistamiento de neutrinos más rápidos que la luz y la posible detección del ansiado bosón de Higgs causaron revuelo. Pero la ciencia funciona a base de pequeños incrementos de conocimiento, y esos hallazgos no pueden tomarse como la última palabra, sino como un estímulo para seguir buscando respuestas a las preguntas básicas de la física: ¿Cuál es el origen de la masa (por qué las cosas pesan)? ¿Por qué estamos hechos de materia y no de antimateria? ¿Cómo era el universo en el instante de su creación? (Lea también: Científicos del Cern ven por primera vez dentro de la antimateria). Por eso quisimos dar un vistazo a las últimas investigaciones, para responder las preguntas más frecuentes sobre esta gran ciencia de lo diminuto, que busca explicar el funcionamiento de la naturaleza. (Lea acá: Físicos creen estar cerca del bosón de Higgs o ‘partícula de Dios’).

¿Para qué invertir dinero y tiempo en este tipo de estudios? Para entender de qué está hecho el universo y cómo funciona. Desde el punto de vista práctico, la física de partículas ha creado tecnologías como la World Wide Web (www).

¿Qué hace la física de partículas? Los físicos de partículas hacen estrellar protones (partículas que componen los núcleos de los átomos) a velocidades impresionantes dentro de máquinas colisionadoras, y ver qué partículas subatómicas resultan de esos choques infernales. Más o menos, como darle un martillazo a un reloj para estudiar qué cosas salen volando.

¿Cómo funciona el colisionador/acelerador de partículas más poderoso del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC)? Piense en el LHC como el telescopio Hubble del ‘espacio interior’. Es el experimento científico más complejo de la historia, operado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), en Ginebra. Es un túnel circular de 27 km enterrado (a 150 m) bajo la frontera franco-suiza. Tras 16 años de construcción, a un costo de 10 mil millones de dólares, y con la participación de 6.000 científicos de 100 países, empezó a funcionar en marzo del 2010. Para generar una colisión, se inyectan dos haces de protones en direcciones opuestas, viajando en dos tubos al vacío, dentro del corazón del túnel. Las partículas pasan a dos aceleradores circulares pequeños y, cuando toman cierta velocidad, van al anillo grande. Allí, son guiadas por 1.232 electroimanes, gruesos como troncos de árboles, unidos como salchichas y enfriados a -271 grados Celsius. (Lea acá: Colombianos participaron en investigación para solucionar misterio físico). Cada segundo, los protones dan 11.245 vueltas al túnel. Cuando desarrollan el 99,9% de la velocidad de la luz, chocan de frente y convierten su energía titánica en la masa de nuevas partículas (como decía Einstein: E=mc2). El colisionador produce unos 800 millones de estrellones por segundo, lo que genera millones de partículas subatómicas disparadas en todas direcciones, que desaparecen en fracciones de segundo, y que los científicos estudian, esperando hallar esas que son nuevas y exóticas. La información resultante, que incluye 40 millones de fotos por segundo, se analiza en 100 mil procesadores y ocupa el espacio equivalente a tres millones de DVD anuales, que especialistas en docenas de países escudriñan como buscando granos de oro en una playa.

¿Qué son hadrones? Una categoría de partículas grandes, incluidos los protones.

¿Por qué es tan grande el LHC? Es interesante que para estudiar las partículas más pequeñas tuviésemos que crear una máquina gigante. El LHC tiene 27 km porque, como Einstein nos enseñó, cuanta más energía (velocidad) les apliquemos a los protones que corren en el colisionador, más masa producirán al estrellarse. Entonces, cuanto más grande sea el acelerador, mayor será el choque y mejor la oportunidad de ver el ‘zoológico’ de partículas que hay en la naturaleza.

¿Qué es un electronvoltio y qué tanta energía producen las colisiones del LHC? Un electronvoltio, la unidad básica de energía y masa, es la cantidad de energía que un electrón adquiere al pasar del lado negativo de una pila de un voltio al positivo. La energía producida en esas colisiones es de 14 trillones de electronvoltios. En realidad, no es mucho: al volar, una mosca produce un trillón de electronvoltios de energía cinética. Cada choque microscópico genera unas 30 trillonésimas de la energía que libera un bombillo de 60 vatios en un segundo. Lo que hace especial al LHC es que toda esa energía se concentra en un protón, mil millones de veces más pequeño que una mota de polvo.

¿Puede el Gran Colisionador producir un agujero negro que se trague la Tierra o a Europa? Según las teorías existentes, el LHC no tiene la fuerza para crear uno. Incluso si se llegara a crear algún agujero negro microscópico, dicen, se evaporaría en menos de 30 segundos.

¿Por qué dicen que el LHC es como una máquina del tiempo? Las colisiones de protones son estudiadas por cuatro detectores del tamaño de catedrales, cuya arquitectura, en capas, semeja una cebolla gigante. Los brutales choques recrean las condiciones de energía, temperatura y materia que existieron cuando el universo tenía menos de un segundo de edad. Los expertos piensan que las leyes de la física evolucionaron, desde hace 14.000 millones de años, a medida que el universo se enfrió después de la Gran Explosión (Big Bang), pasando de trillones de grados Kelvin a las frígidas temperaturas de hoy (3 grados Kelvin). Algo similar a la forma en que cambia el agua, de vapor a líquido y a hielo, al bajar la temperatura. A medida que el universo se enfrió, las partículas y las fuerzas, que eran una misma ‘sopa’, desarrollaron identidades propias, de la misma forma en que el español, el francés y el italiano salieron del latín. Entonces, haciendo chocar los protones entre ellos, los físicos crean pequeños bólidos que cobran vida brevemente, mostrando todas sus variaciones posibles al desintegrarse, y dejando huellas en montañas de computadores. (Siga este enlace para leer: ...y se hizo el Big Bang).

Cuando los protones chocan, ¿se oye alguna explosión? No hay sonido alguno.

¿Qué otros usos le están dando o quieren darle al LHC? Uno de los cuatro detectores del acelerador está diseñado para tomar medidas de las discretas diferencias entre la materia y la antimateria. Incluso, ha llegado a producir cantidades mínimas de antimateria. Otros físicos proponen usar el LHC para producir nuevas fuerzas y ensayar viajes en el tiempo.

¿Hay planes para un acelerador aún mayor que el LHC? De aprobarse, el Colisionador Lineal Internacional (recto, en vez de circular) haría estrellar electrones con sus antipartículas (positrones). Uno de sus objetivos será hacer mediciones de lo que descubra el LHC.

Además de alojar al LHC, ¿por qué es famoso el CERN? La gente lo asocia con la escena inicial de Ángeles y demonios, de Dan Brown. En el CERN se inventó la World Wide Web y ahora están en proceso de crear la Grid, una red de computadores que promete revolucionar al mundo en una forma más poderosa que Internet.

Relatividad La revolución del neutrino

Los neutrinos son partículas muy rápidas, etéreas (supuestamente sin masa, pero hay evidencia contraria) y camaleónicas: cambian de traje y se convierten en otra cosa. En septiembre, un grupo de físicos italianos aseguró que rompían la barrera de la velocidad de la luz (llegando a su destino 60.000 millonésimas de segundo antes que los fotones). Esto es revolucionario, porque daría al traste con la teoría de la relatividad de Einstein, según la cual nada viaja a velocidades superlumínicas. De caer este principio, las cosas serían muy distintas, pues toda partícula más rápida que la luz viaja hacia atrás en el tiempo. El experimento se ha repetido en otros laboratorios, con resultados mixtos, así que habrá que esperar.

Modelo Bosón Higgs, el eslabón perdido

Millones de dólares y varios premios Nobel culminaron en el Modelo Estándar, la teoría reinante en la física los últimos 35 años, que describe el comportamiento del universo subatómico. Todas las piezas de este rompecabezas han sido creadas en el laboratorio, excepto una: el bosón de Higgs. Según el Modelo Estándar, las partículas elementales nacieron a partir de la Gran Explosión, sin peso. En 1964, el físico Peter Higgs, de la U. de Edimburgo, propuso que debía existir un mecanismo capaz de conferirle masa a todo lo demás. Esta partícula, propuso, crea una ‘jalea’ cósmica que permea todo, se les pega a las otras partículas y aumenta su peso. Haberla llamado la ‘partícula de Dios’ fue una ocurrencia periodística que lamentan los físicos. En diciembre, un par de grupos científicos, que trabajaban en los detectores del LHC, anunciaron tener “indicios tentadores” del Higgs, pero no tendrán más datos acerca de la existencia de la partícula hasta finales de este año.

Teoría ¿Qué es la materia oscura?

Es una sustancia invisible, que –según deducen los astrónomos– rodea los elementos visibles del cosmos, como las galaxias. El próximo paso en el Gran Acelerador de Hadrones, después de encontrar el bosón de Higgs, podría ser producir materia oscura. Una de las tesis candidatas para explicar la materia oscura es la teoría de cuerdas, según la cual todas las partículas subatómicas del modelo estándar son vibraciones de una diminuta cuerda, parecida a un caucho. Lo que sigue faltando es una teoría que unifique todas las fuerzas del universo. Esa fue la infructuosa meta de Albert Einstein.

El Tiempo. Ángela Posada-Swafford*. Mayo 20, 2012. * Radicada en EEUU, escribe sobre la ciencia.

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