Comienza en Ginebra el mayor experimento científico de la historia...

Araceli Sánchez Varela, investigadora del CERN en Ginebra, escribe sobre el mayor experimento científico de la humanidad y sobre el significado científico, filosófico y político-cultural

Uno de los intereses constantes de la física a lo largo de su historia ha sido responder a las siguientes preguntas: ¿podemos reducir la complejidad de lo que vemos a nuestro alrededor a una serie de constituyentes elementales? Si es así, ¿cuáles son estos constituyentes y como interactúan entre sí para formar las diversas estructuras de la materia? Durante el siglo XX, este programa decididamente reduccionista se ha ido desarrollando con un éxito incontestable.

A principios del siglo XX, Max Planck habla por vez primera del fotón. Pocos años más tarde, Millikan determina la carga de las partículas que constituían los rayos catódicos y descubre así el electrón. Rutherford y Chadwick detectaron por primera vez el protón al bombardear ciertos átomos con partículas x. A estos siguieron el descubrimiento del neutrón y el desvelamiento de la estructura del átomo: un núcleo hecho de protones y neutrones en el centro, rodeado de una nube de electrones. Durante los años 40 y 50, se descubren varias partículas subatómicas, y para explicar esta proliferación, Murray Gell-Mann postula en los años 1960 el modelo de quarks, partículas que no aparecen nunca aisladas, sino en combinaciones de dos (y tenemos así, por ejemplo, un pion) o tres (dando lugar, por ejemplo, a protones y neutrones). Además de estas partículas de materia, la mecánica quántica, y más precisamente la teoría de campos, indica que una fuerza entre dos partículas se ejerce a través del intercambio de un segundo tipo de partículas, las llamadas partículas mensajeras. Cada una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza (fuerza electromagnética, fuerza gravitatoria, fuerza fuerte y fuerza débil) tiene su partícula mensajera. Así, el fotón vehicula la interacción electromagnética, y los gluones mantienen unidos a los quarks dentro de protones y neutrones. Estas partículas mensajeras pertenecen a la familia de los llamados bosones, y se les llama también a veces bosones de intercambio.

En los años 1960, Glashow, Weinberg y Salam (GWS) consiguen una descripción matemática precisa de la fuerza débil y la electromagnética, unificándolas en la así llamada fuerza electrodébil, cuyos mediadores son los fotones y los bosones W y Z. Esta teoría ha sido confirmada experimentalmente con el descubrimiento en el CERN, en el año 1983 de las partículas mensajeras W± y Zo, descubrimiento por el que Carlo Rubbia y Simon van der Meer reciben el premio Nobel en 1984.

Todos estos desarrollos culminan en el Modelo Estándar, que describe todas las partículas elementales y sus interacciones (salvo la gravitación). Esta teoría fue desarrollada en los años 1970 y ha pasado con éxito todas las pruebas experimentales a las que ha sido sometida. Ha permitido anticipar numerosos descubrimientos experimentales, como la existencia de quark pesados o de los bosones W± y Zo.

En 1994, un grupo de físicos del laboratorio norteamericano Fermilab confirma la existencia del quark top, el más pesado de todos, y conseguía así completar el cuadro de las partículas elementales de materia. Entre las partículas mensajeras contempladas por el modelo estándar, aun permanece sin descubrir el bosón de Higgs. Por ello este es el objetivo primordial del colisionador LHC del CERN. El resto de partículas conocidas encaja a la perfección con el modelo estándar. 

Porqué necesitamos el bosón de Higgs 

La teoría de GWS tenía un problema: si las interacciones débil y electromagnética no son realmente más que una interacción básica, ¿cómo es posible que el mediador electromagnético (γ) no tenga masa y que los mediadores de la fuerza débil (W+- y Zº) sean tan pesados? Glashow no tenia respuesta a esa pregunta, y la solución llego de la mano de Weinberg y Salam en 1967 bajo la forma del mecanismo de Higgs.

Según el mecanismo de Higgs, las partículas golpean continuamente un tipo de partículas mensajeras presentes en todo el espacio: los bosones de Higgs. Esto frena su movimiento, del mismo modo que si tuviesen masa. Decir que una partícula es muy pesada es lo mismo que decir que interacciona fuertemente con el bosón de Higgs. Este es el mecanismo que se considera hoy en día como el origen de la masa de todas las partículas elementales. El bosón de Higgs explica en particular que el fotón tenga masa cero, y que el resto de partículas elementales tengan cierta masa, pero no explica sin embargo la variedad de sus masas.

Dos laboratorios en el mundo (el Fermilab, en Chicago, EEUU, y el CERN, en Ginebra, Suiza) buscan desde hace mas de diez años el bosón de Higgs. Nadie lo ha visto nunca, ni siquiera de manera indirecta, tal como los físicos “ven” las partículas. La dificultad no está en detectarlo, sino en producirlo. 

El Large Hadron Collider (LHC) del CERN 

Un acelerador es una máquina en la que las partículas circulan en un tubo de vacío y se les manipula utilizando  imanes para mantenerlas en órbita circular y para focalizar el haz, y cavidades aceleradoras para acelerarlas y mantenerlas a energía constante.

Los científicos e ingenieros construyen estas maquinas porque las colisiones de partículas a altas energías son el único medio de sondear, cada vez a más pequeña escala, los constituyentes elementales de la materia, sobre los que aún existen muchas cuestiones sin respuesta, así como para recrear las condiciones que existían unos instantes después del Big Bang. Esto ayuda a los cosmólogos a estudiar la evolución del Universo y su estado actual. (Por otra parte, hay en los hospitales aceleradores de partículas que son utilizados, por ejemplo, para tratar tumores).

El CERN (Consejo Europeo de Investigación Nuclear), donde cerca de 6.000 personas trabajan, con su banco, oficina de correos, restaurantes, hostales, calles y edificios, tiene varios aceleradores de partículas. Solo el LHC es un colisionador. El LHC es un colisionador circular de 27 Km. de circunferencia que los protones recorrerán 10 mil veces por segundo a una velocidad próxima a la de la luz. La historia de un protón acelerado a través del entramado de aceleradores del CERN, hasta el último elemento en la cadena, el LHC, comienza en una botella de hidrógeno corriente de la que se sacan átomos de hidrógeno. De ellos se obtienen los protones arrancando electrones de los átomos. Estos protones se inyectan finalmente en el sistema de aceleradores y en el LHC en dos sentidos (horario y antihorario), para hacerlos colisionar.

El LHC consta de cuatro detectores situados en cuatro puntos distintos de sus 27 Km. de longitud y a 100 metros bajo tierra: ATLAS, CMS, ALICE y LHC-b. Cuando esté en pleno funcionamiento, tendrá seis experimentos, estos cuatro mas LHCf y TOTEM, cada uno de ellos con una finalidad particular. Cuatro de estos lugares se encuentran bajo suelo francés y dos de ellos bajo suelo suizo. Entre los principales fines de esta máquina están el descubrimiento del bosón de Higgs, pero también responder a la pregunta de por qué el Universo esta hecho de materia y no de antimateria, cuando al principio había la misma proporción de ambas, o el estudio del plasma de quarks y gluones que corresponde al estado de la materia que pudo haber existido en los primeros instantes del Universo.

El coste total del LHC y de sus cuatro detectores, que corresponde a más de 8 años de trabajo, ha sido de 6 mil millones de francos suizos (4 mil millones de euros), de los cuales aproximadamente 3 mil millones de euros son para el acelerador  y algo menos de mil millones para los detectores. Notemos simplemente que el coste del proyecto LHC del CERN es equivalente a 3 días de presencia de las tropas aliadas en Irak, inferior a la reforma de la M30 en Madrid -un anillo de 33 Km.- (que era en 2005 de 3.900 millones de euros, exactamente la suma de los fondos de los Ministerios de Medio Ambiente, Cultura, Vivienda y Administraciones Públicas juntos en España pare ese mismo año), y equivale al consumo en un día de dos cervezas por europeo.  

Más allá del modelo Estándar 

Como ya mencionamos antes, el objetivo mas importante del LHC es el descubrimiento del bosón de Higgs. La consistencia del modelo estándar depende de manera crucial de la existencia de esta partícula mensajera y de la confirmación de las propiedades que este le atribuye. Pero pocos físicos creen que el modelo estándar sea la última palabra en lo que respecta a nuestro conocimiento de los constituyentes fundamentales de la materia, y una segunda misión del LHC es precisamente sondear la región de altas energías accesible a este acelerador para encontrar rastros de nuevas partículas o nuevos fenómenos no previstos en el modelo estándar. En el último año, los físicos teóricos han hecho varias propuestas de lo que se podría encontrar. Una de estas propuestas es la súper simetría, que postula la existencia de una partícula adicional por cada partícula existente en el modelo estándar. Otra propuesta, mas espectacular si cabe, es la existencia de dimensiones extra, más allá de las tres dimensiones espaciales que observamos a nuestro alrededor. De existir, estas dimensiones serían minúsculas, pero algunos de sus efectos podrían dejarse notar a las energías altísimas que va a poner en marcha el LHC. Finalmente, algunos modelos sugieren que el acelerador podría producir mini-agujeros negros, y permitiría por lo tanto estudiar uno de los más grandes misterios de la física –los efectos quánticos de la gravedad- en condiciones de laboratorio.  

Puesta en marcha del LHC 

El pasado día 10 de septiembre, el CERN anunciaba en un comunicado oficial de prensa  que el primer haz de protones del LHC había sido lanzado con éxito. Quienes estaban en las salas de control, así como los que seguían este acontecimiento a través de la web del CERN que retransmitía en directo desde estas mismas salas de control, pudieron ser testigos de la primera vuelta al colisionador del primer haz de protones.

Porque pese a lo que pudimos ver en muchos medios de comunicación esas últimas semanas, el fin del mundo no ocurrió. En efecto, durante los últimos meses, varios autoproclamados científicos, amplificados de manera irresponsable por una parte importante de la prensa, utilizaron los escenarios teóricos donde se contempla la producción de mini-agujeros negros en el LHC para anunciar un Armagedón en el que el acelerador, primero, la Tierra ,después, y finalmente, el Universo serían devorados por el apetito insaciable de uno de estos agujeros negros. Confirmando la tesis de Fredric Jameson de que a la gente le cuesta mucho menos imaginar el fin del mundo que el fin del capitalismo, todos los días teníamos que responder a preguntas de alumnos y amigos, asustados por los agujeros negros que el CERN iba a crear: “El día 10 de septiembre el CERN va a provocar un agujero negro que nos va a tragar a todos”; “los pesimistas temen el fin del mundo”, o: “el fin del mundo se retrasa un mes”, porque no será hasta entonces que el nuevo acelerador de partículas llegue hasta la potencia necesaria para provocar esa hecatombe... eran los titulares de los periódicos.

Afortunadamente, los mini-agujeros negros que produciría el LHC (asumiendo que los escenarios especulativos que predicen su producción sean ciertos) muy probablemente se desintegrarían rápidamente en otras partículas más benignas. ¿Qué ocurriría sin embargo si esta desintegración de los agujeros negros, un proceso predicho por Stephen Hawking en 1975, no tuviese lugar? Un equipo de físicos del CERN ha demostrado, tras un análisis exhaustivo, que si estos agujeros negros no se desintegrasen, hace tiempo que habríamos observado sus efectos. De hecho, colisiones como las que se producirán en el LHC se producen diariamente en la atmósfera terrestre debido a la incidencia de los rayos cósmicos, y los mini-agujeros negros malignos que tanto han aparecido últimamente en los medios de comunicación habrían tenido repetidas ocasiones de devorarnos en el pasado. 

¿Y qué tiene que ver Dios con todo esto? 

Resulta sorprendente que se siga recurriendo a la figura de Dios cada vez que en la ciencia básica nos aproximamos al conocimiento de cuestiones fundamentales, tales como el origen del Universo. En ciertos periódicos leíamos estos días: “Arranca la búsqueda de la 'partícula Dios' “ (El País, Reino de España, 10/9/08), o « "la máquina de Dios", como los físicos llaman al acelerador de partículas más poderoso de la historia. Entre otras razones, porque las dimensiones difíciles de imaginar del instrumento científico más complejo que se haya diseñado, de 27 kilómetros de circunferencia, estimulan todo tipo de fantasías», o aún «La "máquina de Dios", apodada así porque recreará condiciones similares a las que habrían existido unos instantes después del Big Bang » (La Nación, República Argentina, 11/9/08). Desgraciadamente, parte de la responsabilidad de este apelativo le corresponde a Leon Lederman, que ha titulado su libro, coescrito con Dick Teresi, La partícula divina (Drakontos Bolsillo, Critica, 2008), refiriéndose al bosón de Higgs, quizá para vender más copias entre los puritanos norteamericanos. Pero, afortunadamente, no encontrarán ustedes ninguna referencia a Dios en el comunicado oficial de prensa del CERN, ni en las declaraciones de las personas que dirigen los experimentos del LHC.

Para más información sobre el LHC se pueden consultar las excelentes páginas web del CERN: http://askanexpert.web.cern.ch/AskAnExpert ; y también: http://public.web.cern.ch/public/fr/LHC/Safety-fr.html  

Araceli Sánchez Varela, miembro del Consejo Editorial de SINPERMISO, realiza su tesis en filosofía y sociología de la ciencia en la Universidad de Ginebra sobre la historia reciente del CERN.


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