LHC - El Gran Colisionador de Hadrones

En Busca del Origen de la Masa

Cerca de la ciudad de Ginebra, en Suiza, debajo de las montañas de Jura y dentro
de un túnel de 27km de circunferencia, está instalado uno de los aceleradores de
partículas más grandes del mundo. En el mismo lugar se está planeando la construcción
de otro, de mayor envergadura aún, con el cual cientificos de distintos países tratarán
de entender mediante el trabajo mancomunado, uno de los misterios más
profundos de la naturaleza: el origen de la masa.
Comparada con las velocidades que estamos habituados a observar, la velocidad de la luz es realmente enorme. Caminamos rápido a una velocidad de 1 metro por segundo. La ciudad de La Plata se desplaza a una velocidad de 450m por segundo con respecto al centro del planeta, llevada por la Tierra durante su rotación diaria de 24 horas. Se mueve además, aproximadamente, a 30.000 metros por segundo con respecto al Sol en su giro alrededor de este. Si observamos la galaxia más próxima, veremos que se aparta de la nuestra con una velocidad de 62.000 metros por segundo. En todo caso, si bien estas velocidades son fantásticas, resultan todavía pequeñas comparadas con la velocidad de la luz.
Viajando a 300.000.000 metros por segundo (o 30cm cada billonésima parte de un segundo), la luz se desplaza con la mayor velocidad alcanzable en nuestro universo. Tan sólo en un segundo, la luz podría dar ocho vueltas alrededor de nuestro planeta. A velocidades próximas a la de la luz hoy entendemos, después de los trabajos de Einstein, que nuestra intuición, basada en experiencias cotidianas, no es válida. Imaginémonos viajando en una nave que, hipotéticamente, pueda moverse a velocidades próximas a la de la luz. Empezamos nuestro viaje a una velocidad de unos pocos metros por segundo y, a medida que aceleramos, comenzamos a notar que todos los relojes fuera de nuestra nave comienzan a atrasar. Este efecto se hace más marcado cuanto mayor es nuestra velocidad. Notamos también que la distancia entre dos puntos, externos a la nave y medida en la dirección de nuestro movimiento, se hace más y más corta. La dilatación de los intervalos temporales y la contracción de las longitudes se acentúan al acercarnos a la velocidad de la luz hasta tal punto que, en el caso del reloj, las agujas prácticamente no se mueven y, entre los dos puntos mencionados, la distancia tiende a cero. Si todas y cada una de las partículas de este mundo (nosotros incluidos) pudieran moverse siempre a la velocidad de la luz, las cosas serían muy diferentes de como las vemos cotidianamente.
Para acelerar partículas con masa (y naves, por supuesto) hay que gastar tanta más energía cuanto más nos aproximemos a la velocidad de la luz, un hecho que dificulta enormemente la posibilidad real de nuestro viaje imaginario a estas velocidades. El problema es que cuanto más nos acercamos a la velocidad de la luz, más aumenta nuestra inercia (masa), y la energía necesaria para la aceleración resulta cada vez mayor. Tan sólo aquellas partículas que no tienen masa (como las que componen la luz misma, llamadas fotones) pueden viajar a esta velocidad. Es más, todas las partículas que no tienen masa deben viajar siempre a la velocidad de la luz, ni más ni menos.
Para describir los fenómenos que se manifiestan en el mundo de las partículas que viajan a altísimas velocidades, los físicos crearon una teoría basada en ideas a la vez profundas y elegantes acerca de las posibles simetrías de la naturaleza; una teoría relativamente simple, que nos permite hacer predicciones sobre los resultados que obtendremos en nuestros experimentos con una precisión de una parte por billón. Esta teoría, que recibe el nombre de Modelo Estándar, y que hasta hoy no ha mostrado ninguna inconsistencia, fue elaborada hace aproximadamente 30 años, a partir de los requerimientos de simetría conocidos como principios de "gauge" (véase "Las teorías de gauge"). Ella describe las interacciones de todas las partículas elementales (para una introducción al Modelo Estándar (véase "El último quark. Análisis de un evento", de A. Etchegoyen; CIENCIA HOY 26).
Hasta la formulación del Modelo Estándar el problema de las teorías de "gauge" consistía en que, si bien sencillas, elegantes y consistentes desde el punto de vista matemático, aquellas presentaban una fuerte limitación al tratar de describir interacciones que no respetasen la simetría especular (O "simetría de espejo") característica de las fuerzas que diferencian la derecha de la izquierda. En este caso, se requieren mediadores con masa (partículas que "median" la interacción entre otras dos) y las teorías basadas en simetrías de "gauge" sólo admitían, hasta entonces, mediadores de masa nula. El electromagnetismo, la primera teoría de "gauge", no sufre esta limitación porque las interacciones electromagnéticas, de largo alcance, están mediadas por fotones que, como ya lo enunciamos, no tienen masa. La fuerza débil, que distingue derecha de izquierda (se dice que viola la conservación de la paridad), es de muy corto alcance y requiere, por lo tanto, mediadores con mucha masa. Esta fuerza es la responsable, por ejemplo, del decaimiento beta en los núcleos atómicos. El principio de "gauge" en consecuencia, no sirve como generador de una teoría para estas interacciones, al menos en su forma original.
En 1965 se encontró una solución a este problema. La idea sugerida fue reemplazar las masas de las partículas por un campo de fuerzas existente en el vacío, de manera tal que las partículas, las cuales se supone no tienen masa, la adquieren a través de la interacción o "fricción" con este campo. Resulta así que las partículas que interactúan más fuertemente son las que adquieren mayor masa; mientras que aquellas que no la poseen, simplemente pasan por el campo como si este no existiera. El campo al que nos hemos referido se denominó campo de Higgs, en reconocimiento al Prof. Peter Higgs de la Universidad de Edimburgo, Escocia, quien fue el primero en utilizar este concepto, aunque aplicado a estudios en materia condensada.
A esta altura el lector desprevenido podría pensar que esta idea parece muy forzada, una fantasía creada por los físicos para aferrarse a la elegancia que ofrecen las teorías de "gauge". Sin embargo, las predicciones surgidas del modelo, así construido, son excelentes y para eso remitimos al lector al recuadro "Éxitos del Modelo Estándar".
De todas formas, no debemos perder de vista el hecho de que la física es una ciencia experimental y, si bien hemos creado una teoría para explicar el origen de la masa, es nuestra obligación investigar todas las consecuencias que esto acarrea y no contentarnos con haber descubierto una manera posible de compatibilizar una teoría de "gauge" con mediadores con masa. La consecuencia más obvia del mecanismo propuesto es que, de existir verdaderamente el campo de Higgs, deberían observarse sus excitaciones (o vibraciones). A estas manifestaciones de un campo se las denomina partículas y, consecuentemente, el campo de Higgs debería originar partículas de Higgs.
Para poner de manifiesto la existencia de estas partículas, se requieren energías muy grandes. Nuestros actuales grandes aceleradores han comenzado a explorar la región donde "el Higgs" podría manifestarse. Se trata de los mismos aceleradores que se emplean, por otra parte, para penetrar profundamente en la estructura interna de la materia. Uno de ellos se halla en el Laboratorio Europeo de Física de Altas Energías (CERN), creado nueve años después de la segunda guerra mundial, donde trabajan alrededor de 2000 científicos de todo el mundo empeñados en desentrañar la estructura de la materia a las escalas más pequeñas. Este laboratorio alberga a LEP (Large Electron Positron collider) un acelerador de electrones y positrones -antipartículas del electrón-, ubicado dentro de un túnel subterráneo de 27km de circunferencia que cruza en su trayecto la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra. Allí, electrones y positrones, antes de chocar unos con otros, son acelerados hasta una velocidad tan próxima a la de la luz que, tal como lo predice la teoría de la relatividad, llegan a tener una masa 100.000 veces mayor de la que tenían cuando se hallaban en reposo.

Se observan mas de cuatro áreas experimentales correspondientes a los detectores ALEPH, DELPHI, L3 y OPAL. Estas áreas experiemtales están construidas en sitios subterráneos de aproximadamente 20m x 60m x 35m de altura. En la Superficie, se encuentran los edificios con todos los servicios para el acelerador y los experimentos.

Sólo en cuatro áreas localizadas del túnel se permite la colisión de los electrones con los positrones. Cuando esto sucede, se aniquilan entre sí y convierten toda su masa en energía. Esta se suma a la energía de movimiento que cada uno lleva, lo que origina, en una región del espacio muy pequeña, la aparición de una enorme cantidad de energía. Tal concentración de energía es inestable, por lo que es seguida inmediatamente por la generación de varios tipos de partículas que son luego recogidas en detectores instalados en cada punto de la intersección. Nuestro grupo del Departamento de Física de la Universidad Nacional de La Plata, trabaja en uno de estos detectores, el llamado L3, cuya descripción y actividad se explica más detalladamente en los recuadros "Detectando las partículas" y "La Física con L3".
De entre todas las colisiones que tienen lugar (denominadas "eventos") tratamos de encontrar si alguna de ellas puede ser consistente con la producción y decaimiento de una partícula de Higgs. Claro que, de todos los eventos recogidos, hay muchos que pueden confundirse con una partícula de Híggs. Hasta este momento, hemos estudiado con L3 unos 10 millones de eventos y sólo identificamos unos pocos candidatos con características similares a las que indicarían la aparición de un "Higgs". Si esta partícula tuviese una masa pequeña, seria más fácil de producir. Tomando en cuenta las predicciones para el número de eventos esperados y el número real de candidatos encontrados, podemos afirmar que la masa de la partícula de Higgs debe superar los 77GeV (GigaelectrónVolt, una unidad de energia que equivale a una masa de 2x10-24 gramos) con una certeza del 95% (significa que hay todavía una probabilidad del 5% de que la masa del "Higgs" sea menor que 77GeV). Para dar una idea de la magnitud de la masa mencionada, es necesario tener presente que 1GeV es, más o menos, la masa de un átomo de hidrógeno (o un protón), a su vez aproximadamente, 2000 veces más pesado que un electrón.
Uno de los problemas con que nos encontramos cuando tratamos de entender el origen de la masa a través del campo de Higgs, es que no hay restricciones teóricas que limiten claramente la masa de la partícula de Higgs. El Modelo Estándar da un probable limite superior de, aproximadamente, 1000GeV (equivalente a 1TeV o TeraelectrónVolt), una energía superiora las que podemos acceder actualmente con LEP.
Existe un nuevo proyecto, aprobado recientemente en el CERN, denominado LHC (Large Hadron Collider) o gran colisionador de hadrones", el cual se construirá en el mismo túnel donde funciona LEP. El rango de energías de este nuevo "colisionador" de protones contra protones se extiende hasta los 14TeV (14.000GeV) de manera que cubrirá la gama completa en la que el "Higgs" debería ser detectado si el Modelo Estándar fuese correcto. ¿Y si no se encuentra el Higgs? De no poder identificar a la partícula de Higgs con los experimentos que se realicen en el LHC, habríamos hecho en sí mismo un gran descubrimiento. La propia estructura de la teoría predice que, de no encontrarse una partícula de Higgs con masa menor de 1000GeV, algo nuevo y diferente deberá manifestarse en estos experimentos. Más allá de las muchas ideas y modelos posibles que los físicos teóricos elaboran, e independiente de cualquiera de ellos, la disyuntiva es clara. o se encuentra el "Higgs" en la forma simple en que lo presenta el Modelo Estándar, o deberá manifestarse experimentalmente algún otro mecanismo alternativo para el origen de la masa.
Si bien la perspectiva es excitante y desafiante, se trata sólo de una parte de lo que hay por investigar. Es mucho lo que aprenderemos haciendo experimentos con el LHC. Basta mencionar, por ejemplo, que tan sólo el primer día de experimentos van a poder recogerse más eventos que contengan un quark top (véase "El último quark. Análisis de un evento", de A. Etchegoyen; CIENCIA HOY 26) que todos los obtenidos en el laboratorio Fermilab en los Estados Unidos (donde funciona el acelerador hadrónico más grande en la actualidad) en varios años. Es posible también, que descubramos nuevas fuerzas y simetrías que sólo se manifiesten a energías tan grandes como las que serán alcanzadas con el LHC. Puede ayudarnos a explorar, por ejemplo, una de las ideas más atractivas en física actual, como es la existencia de una simetría entre las partículas que forman la materia, como los electrones y los quarks, con aquellas cuyos intercambios producen las fuerzas, como los gluones y los fotones. Esta "supersimetría", como en realidad se la denomina, puede conducirnos a un nuevo tipo de unificación: el de las fuerzas y la materia.
El LHC se utilizará también para acelerar núcleos pesados, lo que permitirá obtener colisiones con energías todavía más grandes. Las condiciones extremas de densidad de energía y temperatura que se alcanzarán, permitirán aumentar las posibilidades de observar nuevas fases de la materia reproduciendo en el laboratorio las condiciones existentes durante el nacimien to del universo.