Ojos para ver el Big Bang

En la cafetería de la sede del CERN (la organización europea para la investigación nuclear), a las afueras de Ginebra, decenas de físicos de todo el mundo comen sin preocuparse por el Apocalipsis. Dos individuos acaban de denunciar en los tribunales de Hawai que el LHC (Gran Colisionador de Hadrones, en sus siglas en inglés), el acelerador de partículas más grande jamás construido, aniquilará el planeta, pero el fin de semana anterior, el CERN había publicado un nuevo informe en el que trataba de tranquilizar al mundo. El LHC no creará ningún tipo de fenómeno capaz de devorar la Tierra cuando se ponga en marcha al final de este verano. "No tiene ningún sentido, no sé ni por qué han hecho el informe, discutir con esa gente es como discutir con un astrólogo", dice Antonio Pich, físico teórico del Instituto de Física Corpuscular de Valencia (UV-CSIC). En su opinión, se ha prestado demasiada atención a este tipo de planteamientos agoreros sin fundamento científico.

Las preocupaciones de los físicos de partículas que trabajan en el centro de altas energías se encuentran enterradas a cien metros de profundidad bajo la zona fronteriza entre Suiza y Francia. Allí, aprovechando la infraestructura de un acelerador anterior, el Large Electron Positron Collider, se ha construido un túnel de 27 kilómetros de circunferencia en el que se han colocado casi 10.000 imanes. Con ellos se pretende acelerar haces de protones en direcciones opuestas y dirigirlos para hacer que colisionen entre ellos en varios puntos de su recorrido. Hasta ahora, el mayor acelerador en funcionamiento, el Tevatron del Fermilab en Illinois (EEUU), es capaz de lanzar protones y antiprotones a energías de hasta un TeV (teraelectronvoltio). El LHC será capaz de multiplicar porsiete esa energía.

En términos absolutos, una energía de 7 TeV no es para tanto. Es aproximadamente la del movimiento de una hormiga caminando. Pero una hormiga tiene billones de protones. El LHC será capaz de concentrar esa energía en un espacio un billón de veces más pequeño. 

El objetivo de este alarde tecnológico es, de alguna manera, construir una máquina del tiempo. Las condiciones energéticas y de temperatura que se producirán en el interior del colisionador en el momento de los impactos serán parecidas a las que tuvieron lugar una fracción de segundo después del Big Bang. Una época en que el universo aún era oscuro y no es posible estudiar con telescopios. En los detectores quedará la firma de partículas que necesitan una gran concentración energética para existir y la información servirá para conocer mejor por qué el universo es como es.

El origen de la masa

Hasta ahora, la mejor explicación para el comportamiento de la materia la ofrece el Modelo Estándar (ME) de física de partículas. Casi todas las pruebas experimentales que se han realizado para comprobar sus predicciones han confirmado que es una teoría correcta. Sin embargo, es posible que esto cambie a partir de ciertos niveles energéticos (más de 100 GeV) y algunos experimentos (como los realizados con neutrinos) ya han mostrado que hay física más allá. 

Uno de los objetivos fundamentales del LHC consistirá en buscar un mecanismo que explique por qué las partículas como resulta evidente en los experimentos y para el sentido común tienen masa. El ME no explica cuál es el origen de esta propiedad ni por qué unas partículas tienen más masa que otras. Este problema quedaría resuelto con la existencia de un mecanismo propuesto por el teórico británico Peter Higgs. Según su propuesta, el espacio estaría impregnado por una especie de campo de fuerza. Las partículas que atravesasen con mayor facilidad esta especie de melaza cósmica tendrían menos masa y las que encontrasen más resistencia tendrían una masa mayor. Este mecanismo tendría una partícula asociada conocida como bosón de Higgs. Si existe, debería aparecer en los experimentos del LHC.

Pich afirma que hay mucha confianza en que "en el rango de energías en que se va a trabajar, aparecerá una partícula que explique el mecanismo de masas", aunque no tendrá que ser necesariamente elhiggs. "Habrá sorpresas", predice.

Para cazar una diminuta partícula como el bosón de Higgs, se han construido dos de las mayores trampas de toda la historia de la ciencia. ATLAS, con 46 metros de largo y 25 metros de diámetro (ambos detectores tienen forma cilíndrica), es el mayor detector de colisiones jamás construido. CMS es algo menor en volumen, pero es mucho más pesado. Con 12.500 toneladas, su masa es mayor que la de la TorreEiffel, en París.

Para cazar una diminuta partícula se han construido dos trampas gigantescas

En el interior de estas dos moles chocarán los haces de protones y de los restos del siniestro deberán obtener la información los investigadores. "Es como si paseases por la calle y, de repente, vieses una rueda de bici, un casco de ciclista y un retrovisor de un coche. Podrías hacerte a la idea de que ha habido un accidente entre un automóvil y una bici, y un experto podría incluso decir la velocidad a la que transitaban los dos vehículos y la trayectoria que siguieron. Algo así es lo que nosotros hacemos en los detectores", explica Marcos Fernández, uno de los físicos experimentales que trabaja en CMS. El sistema de funcionamiento de este experimento y de ATLAS es similar.

Los diseñadores han creado una red en la que se intercalan zonas de detección y filtros para distintas partículas. Dependiendo de sus características, las partículas podrán atravesar más o menos filtros y, dependiendo de lo lejos que lleguen, los científicos sabrán si se trata de un tipo de partícula o de otra. Además, enormes imanes permitirán curvar las partículas producto del impacto para medir mejor sus características al paso por las zonas de detección. Como en el caso del accidente explicado por Fernández, los físicos no verán el higgs o el resto de fenómenos que se estudiarán en el LHC de forma directa, pero a partir de las partículas que queden registradas en el detector y su disposición, se podrá identificar la firma del bosón y se sabrá que se ha producido. Como explica Pepe Bernabéu, ingeniero del IFIC que trabaja en ATLAS, la búsqueda de esa firma será como "tratar de encontrar algo pequeño y valioso en una escombrera". De los 800 millones de colisiones que se producirán cada segundo, sólo tendrán interés unas 100, que además estarán repletas de elementos que ensuciarán la información.

Por qué existe el mundo

Junto a los dos experimentos principales, que han sido diseñados para cubrir campos amplios de la física, habrá otros que estudien aspectos más concretos. Uno de ellos es LHCb. Este detector se encargará de estudiar una de las historias más inquietantes del Universo.

El objetivo de este alarde tecnológico es construir una máquina del tiempo

Las teorías más aceptadas sobre el origen del cosmos afirman que en el Big Bang se produjo la misma cantidad de materia que de antimateria. Si esto hubiera sido así, ambas se habrían aniquilado mutuamente y en el universo no habría ni estrellas, ni planetas ni, por supuesto, seres humanos; sólo radiación. Sin embargo, la materia existe. Para que esto sea así, es necesario que en los primeros instantes del cosmos se produjese un ligero desequilibrio a favor de la materia que al final permitiese su victoria sobre la antimateria. La explicación de esta simetría imperfecta entre la materia y la antimateria no ha podido ser explicada aún. Para intentar hacerlo, en LHCb se tratará de recrear el momento, hace 13.700 millones de años, en el que los quarks(partículas subatómicas) llamados belleza y anti-belleza se producían en parejas y se aniquilaban mutuamente. Este experimento ayudará a conocer la razón por la que existetodo lo conocido.

Faltan pocas semanas para el comienzo de las colisiones y los cazadores de higgs acaban de afilar sus armas. El físico del Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC) Celso Martínez cuenta cómo la preparación de los investigadores, tras años a la espera de capturar esta partícula, es total. "Los borradores de los artículos que se publicarán con el hallazgo del higgs están ya escritos. Sólo les faltaría añadir las masas detectadas en los experimentos y las gráficas y estarían listos", apunta Martínez. Un hallazgo de ese tipo proporcionaría el premio Nobel de Física a quien lo lograse, aunque se tratará, casi con total seguridad, de un premio colectivo.

Pese a tratarse de un esfuerzo conjunto, la competencia entre los miembros de distintos equipos existe. ATLAS y CMS, con unas 2.000 personas cada uno, competirán para ser los primeros en anunciar el gran descubrimiento. Un descubrimiento que, no obstante, deberá esperar. LHC es un acelerador que promete cambiarle la cara a la física, pero hará falta tiempo para que lleguen los primeros resultados. El primer año será necesario poner a punto la máquina y se calcula que harán falta hasta tres años para recoger los datos necesarios para anunciar el descubrimiento del higgs.

Ingenieros, físicos y electricistas trabajan para que una máquina inmensa pero construida de una manera casi artesanal la mayor parte de los equipos se han montado por primera vez para el LHC produzca los resultados que se esperan de ella. El experimento más grande del mundo comienza este verano.