Por Teresa Rodrigo (UC-CSIC)*
La física de partículas se centra en el estudio de lo muy pequeño. Pero resulta que cuanto más pequeños son los objetos que se quieren estudiar, más grandes y complejos son los instrumentos que debemos utilizar para verlos. Es el caso de los actuales aceleradores y detectores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), situado en el laboratorio europeo de Ginebra, el CERN. Pero antes de que existieran estos sofisticados artilugios, la comunidad científica recurrió a otro tipo de herramientas. De hecho, los globos aerostáticos fueron los primeros instrumentos científicos utilizados para la detección de partículas de altas energías.
Globo aerostático de aire caliente. / Kropsoq.
La invención del globo aerostático no solo sirvió como una atracción y un medio de transporte, sino que posibilitó el inicio de toda una nueva rama del conocimiento científico.
En 1912, cien años después de las primeras experiencias en globo, Victor Hess se subió a uno de estos aparatos provisto de primitivos instrumentos de medida de radiación. Hess se elevó hasta una altitud de 5.300 metros y encontró que la tasa de radiación observada se multiplicaba con la altura. Concluyó que “la mejor explicación al resultado de estas observaciones es la suposición de que una radiación de mucha energía entra en nuestra atmósfera desde arriba”. Acababa de descubrir la existencia de los rayos cósmicos, hallazgo por el que recibiría el Premio Nobel en 1936.
Estas partículas de alta energía, principalmente protones, colisionan con los átomos de la atmósfera y producen toda una cascada de nuevas partículas capaces de atravesar la superficie terrestre.
El descubrimiento de los rayos cósmicos abrió una nueva ventana al estudio de la materia y permitió, entre otras cosas, el hallazgo en 1932 de la primera partícula de antimateria: el positrón, seguida de muchas más partículas desconocidas hasta entonces.
Hasta la llegada de los aceleradores de partículas en los años 50 del siglo XX, los rayos cósmicos constituyeron la mejor herramienta para el estudio de la materia y sus interacciones. Los aceleradores nos permiten acelerar y colisionar partículas y así reproducir en el laboratorio de forma controlada los fenómenos que ocurren en la naturaleza. Además, podemos recrear las condiciones en que se encontraba el universo en sus primeros instantes tras el Big Bang y estudiar su evolución hasta nuestros días.
En los últimos 60 años se ha conseguido elaborar una teoría cuántico-relativista, perfectamente confirmada por los experimentos, que explica toda la materia visible en el universo basándose en la existencia de doce partículas y sus correspondientes antipartículas elementales, conocidas como quarks y leptones. Por cierto, la materia visible solo constituye el 5% de la energía total del universo, el resto se compone de lo que llamamos materia y energía oscuras, que hoy es objeto clave de estudio.
Interior del Gran Colisionador de Hadrones del CERN, en Ginebra. / CERN.
También sabemos cómo estas partículas elementales se relacionan entre sí, es decir, cuáles son las fuerzas que actúan en la naturaleza. Además de la fuerza gravitatoria, existen la fuerza electromagnética, la fuerte y la débil. Con ellas podemos explicar todos los fenómenos observados y todas ellas, salvo la gravedad hasta el momento, pueden explicarse de una forma común, basada en el intercambio de otro tipo de partículas que conocemos como bosones. Un tipo muy especial de bosón es el bosón de Higgs, descubierto en el LHC en 2012. Es el responsable de que la partículas adquieran masa y, por tanto, de que el universo sea tal y como hoy lo vemos.
Las preguntas que nos planteamos las científicas y científicos y que parecen en un principio triviales, como por ejemplo “¿de qué está hecha la materia?”, nos permiten no solo avanzar en el conocimiento más abstracto, sino también desarrollar tecnología punta, que a su vez repercute de manera directa en la mejora de las condiciones de vida cotidianas. Por ejemplo, los aceleradores de partículas se han convertido en un instrumento básico para el diagnóstico y tratamiento médico o la web (www), que fue desarrollada inicialmente para compartir información entre la comunidad científica, y actualmente es un instrumento fundamental de la era de la información.
* Teresa Rodrigo es catedrática de Física de la Universidad de Cantabria, miembro del comité científico del CERN y actualmente directora del Instituto de Física de Cantabria (UC-CSIC). Además, es coautora del libro El bosón de Higgs de la colección del CSIC y Catarata ¿Qué sabemos de?
El texto es un extracto de la participación de Rodrigo en el programa Ciencia y Arte en el Museo del Prado, para el programa ‘La Aventura del Saber’ de TVE2, que realizan en colaboración la FECYT y el Museo del Prado. El vídeo se puede ver aquí.
