EL SIGNIFICADO DE LA FÍSICA DE PARTÍCULAS Y SU PAPEL EN EL UNIVERSO
Por Ángela Posada-Swaford
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?
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.
¿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.
Cada segundo, los
protones dan 11.245 vueltas al túnel. Cuando desarrollan el 99,9 por ciento 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.
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.
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.
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 bosón Higgs, pero no tendrán más datos
acerca de la existencia de la partícula hasta finales de este año.
¿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.
Tomado de EL TIEMPO (20/5/12)
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