El LHC se hace (aún) mayor

Cuando se fabrica una máquina, lo normal es crear algún prototipo cuyo funcionamiento pueda examinarse y corregirse antes de producir la versión definitiva. Por supuesto que el LHC, el Gran Colisionador de Hadrones de Ginebra, tira de la tecnología previamente probada en otros aceleradores de partículas. Pero cuando se superan los límites de todo lo construido antes, lo que aguarda por delante es una frontera hacia un territorio desconocido. No solo en lo que respecta a la física de partículas, sino también a la ingeniería.

En septiembre de 2008, solo unos días después de que el LHC comenzara a funcionar, un fallo eléctrico dañó 53 imanes superconductores de los más de 1.600 que contiene la máquina. La avería retrasó la reanudación de las operaciones durante 14 meses hasta noviembre de 2009. Por entonces, el acelerador comenzaba a funcionar haciendo chocar protones a una energía muy por debajo de su capacidad; en los tres años de su primera ronda las colisiones solo alcanzaron la mitad de la energía máxima para la que el LHC fue diseñado, 7 teraelectronvoltios (TeV), a razón de 3,5 TeV para cada una de las partículas que se embisten mutuamente. En ese rango, la máquina probó su eficacia al demostrar en julio de 2012 la existencia del bosón de Higgs, una partícula largamente buscada y teorizada que cerraba el círculo del Modelo Estándar.

Después de dos años de descanso, mantenimiento y reparaciones, hoy el director general del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), Rolf Heuer, ha presentado en rueda de prensa la segunda ronda de funcionamiento del LHC, prevista para tres años y que en esta ocasión hará chocar protones a 13 TeV (6,5 por protón), solo 1 TeV por debajo de su máxima capacidad. Los científicos han comenzado ya a inyectar protones de prueba, y se espera que hacia finales de primavera las primeras colisiones a 13 TeV puedan empezar a rendir resultados.

El LHC. Imagen de Daniel Domínguez / Maximilien Brice / CERN.

Para que las cifras no queden colgadas sin más, conviene explicar que el electronvoltio (eV) es una unidad de energía diminuta inventada para el mundo de las partículas, donde la medida patrón de energía del Sistema Internacional de unidades, el julio, queda demasiado grande. Un electronvoltio se define como la energía que gana o pierde una partícula con la carga de un electrón (por convenio se le da a esta carga el valor de 1) al ser empujada por una diferencia de potencial (lo que solemos llamar tensión eléctrica) de 1 voltio. Es decir, un valor de energía infinitamente pequeño. Un teraelectronvoltio (TeV) es un billón de electronvoltios, o 10¹².

En su web, el CERN ofrece una comparación sencilla: 1 TeV es el equivalente a la energía del movimiento (o energía cinética) de un mosquito en vuelo. Esto puede parecer ridículo, pero si un mosquito pesa unos 2,5 miligramos, imaginemos esa energía concentrada en algo que pesa menos de una miltrillonésima parte. Por emplear otra comparación familiar, y según cifras que se manejan por ahí, un fotón del horno microondas que tenemos en casa (la partícula asociada a la onda que calienta las moléculas de agua cuando metemos la sopa) lleva una energía aproximada de 0,00001 eV; es decir, 10 microelectronvoltios. A pleno rendimiento, el LHC será capaz de conferir a cada protón una energía 700.000 billones de veces mayor que el fotón de nuestro microondas.

Por último, conviene aclarar que cuando hablamos de eV también estamos refiriéndonos a la masa de una partícula, ya que masa y energía son equivalentes aplicando el factor de conversión de la velocidad de la luz al cuadrado, según la conocida ecuación de Einstein E = mc². Por ejemplo, un protón tiene una masa aproximada de 938 MeV/c², o simplemente 938 MeV (para simplificar se da a c el valor de 1). En comparación, el bosón de Higgs se detectó en un rango de masa de unos 125 GeV.

Con todo esto, ¿qué esperan encontrar los científicos en los diminutamente inmensos niveles de masa/energía que alcanzará el LHC en su segunda ronda? Obviamente, partículas muy pesadas que hasta ahora han estado fuera del alcance de los aceleradores. Entre ellas se encuentran unas atractivas postulantes, las partículas masivas de interacción débil o WIMP, que podrían ser los componentes de las cuatro quintas partes de toda la materia existente: la materia oscura. Otra posibilidad es que los físicos encuentren indicios de supersimetría, una extensión propuesta del Modelo Estándar en la que cada partícula tiene su supersimétrica que difiere de ella en una cantidad de 1/2 en su número de espín, una especie de giro; así, por ejemplo, fotón/fotino, higgs/higgsino. Las WIMP también podrían ser partículas supersimétricas llamadas neutralinos.

Entre los resultados más cercanos del nuevo LHC también se espera generar cantidades de antimateria que permitan su estudio detallado. La antimateria está compuesta por partículas exactamente iguales que la materia pero de carga opuesta (por ejemplo, electrón/positrón), y ambas se aniquilan mutuamente. Es decir, que a la aplastante mayoría de la materia debemos nuestra existencia, pero los científicos aún no saben por qué el origen del universo primó la materia sobre la antimateria. Y regresando a ese momento primigenio, el Big Bang, antes de que las cosas empezaran a formarse como las conocemos, todo estaba fundido en una sopa donde los quarks, partículas elementales, estaban separadas de su pegamento, los gluones. Ese plasma caliente de quarks y gluones que existió en las millonésimas de segundo posteriores al Big Bang podría estudiarse también gracias al LHC.

Pero además, otras cosas más extrañas podrían retratarse en alguno de los detectores o experimentos del colisionador, como partículas cuyo único vínculo de contacto con las que hoy se conocen sería su interacción con el campo de Higgs, una especie de telaraña creada por el bosón que es responsable de conferir masa a las partículas. El estudio del higgs podría abrir así el camino hacia la detección de un nuevo zoo de partículas hasta ahora ocultas a los métodos de detección. Los físicos también creen que el LHC podría revelar a dónde escapa la parte de la gravedad que no experimentamos: a nuevas dimensiones espaciotemporales donde podrían existir versiones más pesadas de las partículas que conocemos.

En resumen, tenemos tres años por delante para que el LHC nos revele los bloques de los que está hecho el universo.

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