En Busca de la Partícula de Dios.

Esto no es ninguna imagen de alguna película o serie de ciencia ficción. Es, "simplemente", el detector ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS, en castellano Aparato Toroidal del LHC). Su objetivo es detectar partículas supermasivas anteriormente imposibles de detectar.

Es uno de los seis experimentos principales que se van a llevar a cabo en el nuevo acelerador de partículas del CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, en castellano Organización Europea para la Investigación Nuclear), el mayor centro de investigación de física de partículas a nivel mundial. Éste acelerador de partículas, llamado LHC (Large Hadron Collider, en castellano Gran Colisionador de Hadrones) se está construyendo en un túnel de 27 kilómetros de diámetro y funcionará a -271 ºC, siendo enfríado por Helio líquido.

En algún momento de los próximos meses dos haces de partículas recorrerán el túnel en sentidos contrarios. Serán guiadas por más de mil imanes cilíndricos. Los imanes no impulsarán los haces, sólo los guiarán haciéndolos girar suavemente, el impulso se realizará mediante ondas eléctricas producidas por otro aparato. La longitud del acelerador se debe a algo muy simple, un chorro de partículas a casi la velocidad de la luz no tiene otro deseo que continuar moviéndose en línea recta, por eso la curvatura debe ser muy gradual.

En cuatro puntos del acelerador, los haces se encontrarán y las partículas que lo forman chocarán a casi la velocidad de la luz. Si todo sale bien, las violentas colisiones transformarán las partículas en energía y ésta a su vez en nuevas partículas, algunas nunca vistas.

Para detectar los resultados de las colisiones se han concebido seis instrumentos a lo largo del LHC:

  • ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS): Detecta grandes rangos de energía para poder detectar las propiedades de las partículas producidas.

  • CMS (Compact Muon Solenoid / Solenoide Copacto para Muones): Tiene 16 metros de diámetro, 21 de longitud y pesa 12.500 toneladas. Sus propósitos son:
    1. Localizar el Bosón de Higgs.
    2. Buscar evidencias de física a nuevos niveles.
    3. Estudiar las colisiones de iones pesados.

  • LHCb (Large Hadron Collider beauty): Beauty se refiere al quark bottom (los quarks son constituyentes fundamentales de la partícula y, por ello, de la materia). Tiene como objetivo estudiar la desintegración del Bosón de Higgs y la medida de precisión de las fracciones de desintegracion de algunos procesos extremadamente infrecuentes.
  • LHCf (Large Hadron Collider forwar): Usará los protones del LHC para simular rayos cósmicos y estudiar cómo en los choques de protones pueden producirse fotones.
  • ALICE (A Large Ion Collider Experiment): Su objetivo es el estudio de colisiones de iones a altas velocidades y temperaturas (condiciones que recrean los primeros instantes del Big Bang). No se descarta que se creen en el minúsculos agujeros negros que duren un instante.

  • TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation): Estudia los electrones que chocan entre sí sin transformarse en otra particula y mide como éstos electrones se dispersan y difractan en las colisiones.

Con este acelerador se espera poder responder a las siguientes preguntas:

  • Qué es la masa (se sabe medir pero no qué es).
  • El Origen de la masa de partículas (bosón de Higgs)
  • El origen de la masa de los bariones (partículas subatómicas formadas por tres quarks, los más representativos son los protones y neutrones).
  • Cual es el número total de partículas que forman el átomo.
  • Por qué las partículas elementales tienen diferente masa (interacción de las partículas con el campo de Higgs).
  • Qué es la materia oscura (95% de la materia que compone el universo).
  • Por qué en el universo existe más materia que antimateria.
  • Existencia o no de partículas supersimétricas (simetría hipotética que relacionaria las propiedades de los dos tipos fundamentales de partículas, bosones y fermiones).
  • Posible existencia de dimensiones extra y por qué no se han podido percibir.
  • Si hay más violaciones de simetría entre materia y antimateria.

En especial se desea encontrar la llamada Partícula de Dios, apodo puesto por el Nobel de Física Leon Lederman al bosón Z o, como mayormente es conocida, bosón de Higss, en honor a Peter Higgs, quien propuso su existencia hace más de 40 años.

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La Higgs es una de las dos únicas partículas teorizadas que aún no han sido observadas (la otra es el gravitón). Es importante por desempeñar un papel fundamental en la explicación del origen de la masa de otras partículas elementales, la mayoría de físicos creen que existe un campo de Higgs que ocupa todo el espacio y confiere masa las partículas fundamentales.

El físico teórico John Ellis, científico del CERN, propuso la siguiente analogía: las diferentes partículas fundamentales son como una muchedumbre corriendo por el barro. Algunas, como los quarks, tienen botas grandes a las que se adhiere un montón de barro, otras, como los electrones, tienen zapatitos que prácticamente no retienen fango. Los fotones no llevan calzado, simplemente se deslizan por por la superficie del barro sin recoger nada. El campo de Higgs es el barro.

Se supone que la Higgs es muy masiva, del orden de 100 o 200 veces la masa del protón (1,6726 × 10–27 kg). Por eso se requiere de un colisionador enorme para producir una Higgs, a mayor cantidad de energía en las colisiones más masivas son las partículas formadas por la condensación de esa energía.

Pero una partícula como la Higgs es también muy inestable. No es el tipo de partícula que podamos detectar, en una mísera fracción de segundo se desintegrará en otras partículas. Lo que el LHC puede hacer es crear un diminuto y compacto paquete de energía del que podría surgir una Higgs el tiempo suficiente para ser detectada.

Cuando las partículas choquen, se producirá una lluvia de residuos a medida que las energía se transforme en masa. Los científicos no verán la Higgs propiamente dicha, pero el ATLAS y el CMS podrían detectar, con distintos métodos en cada uno, los restos que deje la Higgs al desintegrarse. Se presupone que sólo una colisión entre entre muchos billones producirá una Higgs. Los restos de la partícula aparacerá en los ordenadores de un detector después de procesarse cantidades de datos medidos en petabytes (miles de millones de bits).

Cuando el LHC entre en funcionamiento, Europa se convertirá en el centro dominante de la física de partículas. La fuga de cerebros solía ser de Europa a Estados Unidos, ahora la corriente se ha invertido. Muchos en el CERN esperan encontrar más que respuestas, desean nuevos enigmas, algo casi asegurado. Después de todo, el universo no ha sido construido para nuestra comodidad investigadora, apenas hemos logrado crear un censo de las bacterias que viven en nuestro propio cuerpo.

 

Fuentes: National Geographic Magazine (Marzo 2008), LHC Experiments.