El CERN y la Física de Partículas

Transcripción

1 El CERN y la Física de Partículas Motivación La belleza de la física cuántica al descubierto: rastros dejados por las partículas en una cámara de burbujas La primera obligación del autor de estas líneas es confesarse tan profano en estos asuntos tan particulares como la mayoría de sus lectores. La motivación que le ha llevado a atreverse a presentar esta redacción es su deseo de colaborar, en lo posible, a que el extraordinario proyecto científico, técnico y humano, que se oculta tras el planteamiento teórico y la posterior verificación experimental del Modelo Estándar de la composición elemental de la materia, empiece a formar parte de nuestra conciencia colectiva, de nuestra cultura. Más allá de la admiración fácil ante el gigantismo de los aceleradores de partículas, tiene que abrirse paso el estupor ante el éxito que para el espíritu humano supone la corroboración experimental de teorías establecidas tiempo atrás y de cuya complejidad y nivel de abstracción no nos llegamos a hacer una idea precisa. Mi objetivo es que esta revista de ingenieros se convierta en homenaje a la ciencia fundamental. Porque la ciencia no es la técnica ni se puede reducir a una serie de recetas que funcionan. La ciencia es una fuente de conocimiento con orígenes especulativos y filosóficos y con una presentación matemática; es germen de cultura tanto como pueda serlo la mejor de las narraciones o la más bella de las obras artísticas. Qué es el CERN? El CERN, Centre Européen pour la Recherche Nucleaire es el mayor centro de mundial de investigación en física de partículas. Creado en 1954, el CERN fue una de las primeras empresas comunes de ámbito europeo, es hoy un ejemplo relevante de colaboración internacional. El número de los Estados Miembros ha pasado de los 12 iniciales a los 20 actuales. El CERN está situado en la frontera Franco-Suiza al oeste de Ginebra, al pie de las montañas del Jura y a la vista del Mont Blanc. La mitad de los físicos de partículas del mundo, alrededor de científicos de unas 500 universidades representando más de 80 nacionalidades, utilizan las instalaciones del CERN. Con un personal fijo de personas y un presupuesto anual de millones de Francos Suizos, el CERN es un actor importante en el sector de la investigación y las altas tecnologías. Por su magnitud, duración y coste, cada nuevo gran proyecto del CERN entra en el terreno de la megaciencia, generando tanta admiración como polémica a la hora de justificar tamaño esfuerzo. El presupuesto de la nueva máquina aceleradora de partículas, el Large Hadron Collider (LHC), es de millones de Francos Suizos. El carácter europeo de todos sus Estados Miembros no ha impedido que el proyecto LHC en el que está actualmente embarcado se haya expandido hasta tener un alcance mundial, a juego con la globalización e impuesto por la magnitud de los recursos necesarios. Colaboraciones formales para participar en este proyecto han sido firmadas con los EE.UU. de América, Japón, Rusia, Canadá, Israel, India y Pakistán. No es ajeno a este éxito el abandono por parte de los nor- Andrés Rafael de la Calle Ingeniero Industrial del I.C.A.I., especialidad electrónica, promoción 1990 El CERN y la Física de Partículas 31

2 El mayor acelerador del CERN, el LEP, indicado con un círculo rojo, está enterrado en un profundo túnel subterraneo a 100 m. bajo tierra teamericanos de su propio proyecto para construir un acelerador de partículas en competencia con el CERN. El objetivo fundacional del CERN es la ciencia pura, explorando las preguntas más fundamentales de la naturaleza. Qué es la materia? Cuál es su origen? Cómo permanece unida formando objetos tan diferentes y complicados? Aunque la investigación fundamental es la razón principal de la existencia del CERN, el Laboratorio desempeña en paralelo un papel primordial en el desarrollo de las tecnologías del futuro porque la física de partículas exige realizaciones tecnológicas muy avanzadas. Muchas de estas realizaciones son el resultado de colaboraciones con las industrias de los Estados Miembros. De especial relevancia son sus aportaciones en las siguientes áreas: Tecnologías de la información (el lenguaje de programación HTML y con él la World Wide Web nacieron en el CERN). Sistemas informáticos para el análisis de datos, caracterizados por la enorme cantidad de datos que resultan de los ensayos y la necesidad de una reacción en tiempo real. Redes de transmisión rápida de datos. Sensores (ópticos y electrónicos) de partículas y de radiación. Convertidores de potencia de alta fiabilidad y precisión. Cavidades de radiofrequencia y guías de onda. Electrónica ultra rápida y de alta precisión. Técnicas de ultra vacío. Técnicas de ultra frío (criogenia). Electroimanes clásicos o superconductores con campos magnéticos elevados. Estructuras mecánicas complejas. Instrumentos de topografía de precisión. Sistemas de regulación y control en tiempo real. Aparte de las colaboraciones industriales, el CERN participa en la mejora de la competitividad de las empresas a través de un extenso programa de formación y de becas para científicos e ingenieros. Qué hace el CERN? Como la misión estatutaria del CERN es la investigación fundamental en física de partículas de altas energías, su objetivo es nada menos que estar en la vanguardia de la búsqueda del conocimiento humano. La física de partículas es una disciplina límite, tanto por la complejidad de los conceptos físicos y matemáticos empleados como por situarse sistemáticamente en la frontera de las capacidades tecnológicas del momento. Las 32 anales de mecánica y electricidad. Marzo-Abril 2002

3 herramientas del Laboratorio, aceleradores de partículas y detectores, son los mayores y más complejos instrumentos científicos del mundo, auténticos monumentos de la ciencia y la técnica del siglo XX. Para aclarar esto pensemos: qué es una partícula? Las partículas, designando así los componentes elementales de la materia, han recorrido un largo camino desde el comprensible, indivisible, sólido y fácilmente representable átomo griego hasta el formalismo matemático en el que vive ahora. Las partículas y sus interacciones son estudiadas por la Teoría Cuántica de Campos. Esta teoría demuestra matemáticamente que las partículas son diferentes estados de excitación de un campo cuántico. Un campo cuántico es un operador matemático, es el objeto matemático que ha habido que inventar para describir las partículas. Toda esta abstracción matemática se traslada en la práctica en la imposibilidad de representar gráficamente o materialmente las partículas o de explicarlas con el lenguaje ordinario. Ningún instrumento es capaz de captar su imagen porque carece de ella. Las partículas son invisibles, aunque afortunadamente es posible captar las huellas que dejan en otros materiales. La tarea primordial del CERN es proporcionar a los físicos haces de partículas de alta energía para emplearlos en sus experimentos y en los detectores, con los que se investigan las huellas que las partículas dejan en los materiales. Las facilidades puestas a disposición constituyen el mayor complejo de aceleradores interconectados del mundo. Estos aceleradores suministran diferentes tipos de partículas que permiten realizar toda clase de experimentos: protones, anti-protones, electrones, anti-electrones, iones pesados e isótopos. Estos haces de partículas son necesarios para sondear el corazón de la materia. Aunque caben un millón de átomos en el espesor de un cabello, resultan inmensos comparados con las partículas que se aceleran y estudian en el CERN. Los átomos están vacíos en un 99,99%, las partículas objeto de la atención del CERN ocupan el 0,01% restante. Para observar objetos tan pequeños se necesitan, paradójicamente, enormes aceleradores de partículas y detectores, constituyendo así un microscopio gigante. Este contraste de tamaño se deriva de dos conceptos ineludibles de la física. El primero hace referencia a la dualidad onda- Vista interior del LEP, en el CERN Modelo digital del LHC dentro del túnel del LEP, en el CERN El CERN y la Física de Partículas 33

4 corpúsculo y establece que la longitud de onda asociada a una partícula es tanto más corta cuanto más rápida es la partícula. El segundo es una ley óptica que dice que un fenómeno ondulatorio no interacciona sino con objetos de dimensión superior a su longitud de onda. Combinando las dos leyes se deduce que cuanto menor es la partícula a analizar menor ha de ser la longitud de onda de las partículas que las iluminan, lo cual va asociado a mayores energías de las partículas incidentes. Esta energía se mide en electrón-voltios (ev). Un ev corresponde a la energía que adquiere un electrón sometido a una diferencia de potencial de 1 voltio y equivale a julios. Una partícula de 100 MeV es capaz de ver otras partículas de m de diámetro como el protón. El mayor acelerador del CERN, el Large Electron Positron (LEP), trabaja a 100 GeV para poder mirar dentro de los protones y neutrones y ver los quarks. El próximo acelerador, el LHC que será operativo en el año 2006, alcanzará los 14 TeV, para intentar explicar el origen de la masa de las partículas. Cómo lo hace el CERN? Acelerando partículas a muy altas energías hasta hacerlas circular a prácticamente la velocidad de la luz. Colisionándolas contra un blanco, o unas contra otras, haciendo de este modo aparecer nuevas partículas. Identificando estas nuevas partículas en inmensos detectores uno de los detectores del CERN contiene más acero que la Torre Eiffel e intentando comprender todo lo que ha ocurrido analizando los datos recogidos. El choque de las partículas entre sí o contra blancos exteriores produce nuevas partículas. Esto ocurre porque la energía se transforma en materia de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein E=mc 2.No deja de ser extraordinario que una dimensión física, la velocidad, se encarne en una partícula. Semejante milagro ya debería haber dado lugar a más de una secta. Por lo tanto no se trata de hacer añicos las partículas, sino de traspasar el umbral energético que separa a las nuevas partículas de su existencia. Este fenómeno sólo se produce espontáneamente en las estrellas y en la radiación cósmica. Los aceleradores permiten reproducirlo en la Tierra. Un aspecto muy interesante, que une el estudio de lo infinitamente pequeño con lo infinitamente grande, es que las colisiones de Esta imagen da una idea del tamaño de los detectores, en este caso el ALEPH, del LEP. Los detectores del LHC serán mayores detector energy + energy = lost of energy! Aceleradores y detectores: los gigantes CERN acelerador partículas a alta energía son una reproducción de las condiciones físicas que se daban en el Universo inicial: muy fuerte densidad y muy alta temperatura, que luego se fueron atenuando según se iba expandiendo. Por tanto el LEP con sus 100 GeV nos lleva a 10-9 s después del big bang. Pero 10-9 s del big bang corresponden tan sólo a Kelvin comparados con los Kelvin (10 19 GeV) de los primeros momentos. Cuánto camino por recorrer! Las partículas que se estudian en el CERN son tan pequeñas que su energía es tan solo de una mil millonésima de caloría aproximadamente. Lo verdaderamente importante en la colisión de partículas es que la energía disponible está concentrada en un volumen pe- 34 anales de mecánica y electricidad. Marzo-Abril 2002

5 Las cavidades aceleratrices, como la de este acelerador lineal, no desentonarían en una exhibición artística queñísimo, el de la partícula acelerada. En sentido estricto, debería hablarse de física de alta densidad de energía en lugar de física de alta energía. En el choque de un haz de partículas contra un blanco fijo se desperdicia mucha energía, pues una buena parte de la energía cinética de la partícula incidente es disipada en hacer retroceder a la partícula de choque en el blanco. Contrariamente, en el caso de una colisión entre dos haces de energías iguales toda la energía de la colisión es utilizada en la producción de partículas. Los dos haces opuestos del LEP con 50 GeV cada uno proporcionan una energía útil de 100 GeV. Si quisiéramos alcanzar esta energía con un blanco fijo, la energía del haz incidente tendría que ser de 10 7 GeV, algo técnicamente inalcanzable. Aceleradores y detectores Hay dos tipos de aceleradores, lineales y circulares, y el CERN dispone de ambos. Los aceleradores utilizan potentes campos eléctricos alternativos para aumentar la energía del haz de partículas. Estos campos son de radio frecuencia, entre 200 y 400 MHz. Los campos magnéticos de continua se emplean para mantener el haz de partículas estrechamente focalizado y estable en torno a su trayectoria ideal. Estos campos magnéticos se obtienen a través de electroimanes cuadripolares. En las maquinas circulares se necesitan además electroimanes bipolares para mantener las partículas en su trayectoria circular en el interior del anillo. Las colisiones de haces exigen una gran precisión en las trayectorias de los mismos. Si la máquina es circular se debe producir además un vacío muy elevado, 10 4 veces superior al necesario anteriormente, en el tubo del acelerador para permitir a los haces circular durante horas sin pérdidas debidos a choques con moléculas parásitas. El vacío creado es comparable al del espacio exterior. Las maquinas lineales aumentan la energía del haz en toda la longitud del acelerador. Cuanto más larga es la máquina mayor será la energía final. Para eludir la necesidad de recurrir a máquina de gran longitud se pusieron a punto los aceleradores circulares. En ellos, las partículas dan vueltas aumentando su energía en cada una de ellas. A menor radio de curvatura mayor debe ser el campo magnético necesario en los bipolos. Por ello, el mayor acelerador del CERN, el gran colisionador electrón-positrón LEP, de 27 kilómetros de circunferencia y enterrado a 100 metros de profundidad, mantiene las curvas lo más suaves posibles. Inicialmente los colisionadores circulares recurrían a dos anillos independientes con varios puntos de intersección para obtener el choque de partículas moviéndose en sentidos opuestos. La utilización de la antimateria, antiprotones típicamente, supuso un importante paso adelante para el CERN. La ventaja es de orden técnico, dado que permite transformar una maquina concebida como acelerador en un colisionador: materia y antimateria son tanto eléctrica como magnéticamente simétricas, por lo que un mismo Trayectorias de diferentes partículas dentro del detector DELPHI, del LEP El CERN y la Física de Partículas 35

6 Escala en m: m m m atomo nucleo proton quark m electron?? Este es el modelo de la materia del que disponemos por el momento Escala en m: 100,000,000 electron 10,000 1,000 1 sistema electromagnético sirve para acelerarlas y guiarlas en sentidos opuestos en el recinto de un anillo único. El estudio de las colisiones se realiza registrando lo que ha sucedido en los detectores de partículas. Estos detectores cilíndricos, de varios pisos de altura, envuelven el punto de colisión con sucesivas capas de detectores repletos de electrónica. Las colisiones se producen en su centro geométrico y las diferentes capas del detector miden las propiedades de las partículas salientes. Las capas más cercanas al haz son subdetectores que reconocen las partículas que salen de la colisión. Después vienen los calorímetros, que miden la energía y en los que la mayoría de las partículas terminan su recorrido. Las capas exteriores son de nuevo subdetectores que identifican las partículas detectables que han logrado llegar hasta ellos. Un imán curva con su campo magnético la trayectoria de las partículas con carga, ayudando así a identificar los diferentes tipos de partículas. Por qué estudiar las partículas? Porque nosotros y todo el Universo está constituido de ellas. La visión actual de la estructura de la materia la describe como un conjunto de partículas y de interacciones o fuerzas. Hasta el siglo XIX el estudio del átomo no adquirió un fundamento más científico que filosófico. Rutherford completó un modelo de átomo formado por electrones girando alrededor de un núcleo compuesto por protones y neutrones. Posteriormente la mecánica cuántica dejó caduco este modelo. El primero en corregirlo fue Bohr y luego fue sustituido por estructuras más elaboradas. Las leyes clásicas de la física no se cumplían en niveles microscópicos y hubo que reemplazarlas por un formalismo matemático intraducible. El estudio del núcleo atómico abrió las puertas de una nueva física. Qué es lo que contrarresta la enorme repulsión eléctrica de los protones? Ninguna fuerza clásica, electromagnética o gravitacional, puede ver partículas del tamaño de un protón ni compararse a las energías que ahora entran en juego. El pegamento de la naturaleza son las fuerzas: aseguran la cohesión de los componentes y ordenan su movimiento. Las partículas de materia se mantienen unidas gracias a ellas. Las fuerzas también gobiernan los procesos de desintegración de partículas inestables. La física clásica explica la fuerza ejercida entre dos partículas a través de campos: un campo engendrado en una partícula alcanza y actúa sobre otra. La física cuántica de campos ha revisado esta idea introduciendo la necesidad de un intercambio. Una interacción necesita el intercambio de un campo cuántico, i.e. una partícula característica de ese campo. Por tanto cada una de estas fuerzas es el resultado de un mecanismo de intercambio, un intercambio que realizan las partículas de materia entre ellas, mediante la emisión y absorción incesante de partículas de interacción distintas a las partículas que constituyen la materia. Las partículas elementales y sus interacciones A las partículas de materia se les llama también fermiones y a las partículas de interacción bosones. Las características de unos y otros son muy distintas. Los fermiones son no podría ser de otro modo más materiales, mientras que los bosones son más fantasmagóricos e inaprensibles. Los fermiones tienen masa, tienen cargas, durante un proceso físico la paridad del numero de fermiones no puede cambiar y la probabilidad de encontrar dos en un mismo sitio en un mismo instante es nula. Sin embargo los bosones, menos disciplinados, pueden no tener masa, transportan cantidades dinámicas como la energía o el impulso, pueden aparecer o desaparecer en número cualquiera y no 36 anales de mecánica y electricidad. Marzo-Abril 2002

7 tienen inconveniente en superponerse. Gracias a los fermiones una mesa es una mesa y no un superfluido de viscosidad nula Las fuerzas se diferencian por su alcance e intensidad. Curiosamente en este contexto cuántico no se respeta la ley de la conservación de la energía. La partícula de materia conserva su energía al mismo tiempo que produce otra partícula: una partícula se desintegra en sí misma y en otra. Este proceso es tolerado a condición que la masa de la partícula de interacción multiplicada por el tiempo de la interacción no sobrepase un cierto valor. Esto implica que el alcance de una fuerza será menor cuanto mayor sea la masa de su partícula: tiene menos tiempo de vuelo antes de tener que devolver a la partícula de materia la energía prestada. La mayoría de las partículas que transportan las fuerzas tienen una vida muy breve, sólo existen mientras llevan información de una partícula de materia a otra. La intensidad de una fuerza se caracteriza por una constante de acoplamiento α que crece según lo haga la intensidad. La gravedad, la fuerza más conocida, es la más débil de todas (α=10-38 ). La partícula que la transporta, el hipotético gravitón,no tiene masa y no se ha descubierto aún. A masa nula corresponde un alcance infinito. Actúa sobre otras partículas sin masa, como el fotón. Su fuerza decrece de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Para poder ver esta partícula en un acelerador habría que iluminar del orden de cm (10 19 GeV), es decir, los primeros instantes del big bang. La gravedad compensa su debilidad gracias a ser acumulativa. A partir de ciertos niveles de masa termina ganándole la batalla a la fuerza electromagnética, cuyos efectos a larga distancia son nulos debido a la neutralidad eléctrica de la materia. Por esta razón los planetas son redondos (gravedad dominante a escala planetaria) y una mesa puede tener forma de mesa (electromagnetismo dominante). La fuerza electromagnética es transportada por los fotones, de masa nula, alcance infinito y α=1/137. Actúa sobre toda partícula cargada o provista de un imán, como los neutrones. La fuerza electromagnética mantiene a los electrones girando alrededor del núcleo y agrupa a los átomos en moléculas químicas y bioquímicas: se encarga de la cohesión de la materia a nuestra escala. La atracción entre átomos y moléculas es posible gracias a las fuerzas de Van der Waals: aunque se trate de cuerpos eléctricamente neutros las fuerzas electromagnéticas atractivas y repulsivas no se anulan completamente. La fuerza fuerte es la que goza de mejor salud, dado que su a es de 1. Su alcance es equivalente al tamaño de un protón. Le bastan con s para manifestarse: el proceso más breve de la naturaleza. Es transportada por los gluones y mantiene unidos a los quarks para formar protones y neutrones. Del mismo modo que la carga eléctrica da lugar a la fuerza electromagnética, la bautizada carga de color de los quarks hace que estos respondan a la fuerza fuerte. Por el contrario la fuerza fuerte no es sensible al sabor de los quarks. Las partículas de materia sensibles a la fuerza fuerte se llaman hadrones,y las que no lo son leptones. La fuerza débil inicia las reacciones termonucleares que permiten a todas las estrellas generar la energía que nos da la vida y produce ciertas formas de radioactividad natural como la β. Su α es veces menor que el de la fuerza electromagnética y su alcance es una milésima de un protón. Un alcance tan reducido implica el que sea transportada por los macizos bosones intermediarios W +, W - y Z 0, unas partículas 80 veces más pesadas que un protón. Se llama sabor del quark a la carga que permite precisar la forma que tiene éste de responder a la fuerza débil. Actualmente sabemos que solamente se necesitan cuatro tipos de ladrillos para formar toda la materia común: quarks hacia arriba, quarks hacia abajo, electrones y neutrinos del electrón, que forman la Familia 1 de partículas. Los quarks hacia arriba y quarks hacia abajo están profundamente incrustados constituyendo los protones y neutrones del núcleo atómico. Los electrones giran alrededor del núcleo y forman los átomos, que se unen entre sí para formar objetos más complejos. Los neutrinos del electrón completan la familia pero, como interaccionan muy débilmente con la materia, es muy difícil observarlos. (2/3) up down (-1/3) (2/3) Charm strange (-1/3) (2/3) top bottom (-1/3) Los seis quarks, finalmente bautizados y fotografiados El CERN y la Física de Partículas 37

8 Las Partículas elementales Leptones pueden despalazarse libremente quarks prisioneros de los hadrones no observables individualmente fermiones Familia 3 Familia 2 Familia 1 electrón el más popular su carga es -1 muón como el electrón pero 200 veces más pesado tau como el electrón veces más pesado neutrino de electrón sin carga eléctrica muy discreto neutrino de muón neutrino de muón quark d carga eléctrica de -1/3; el protón tiene uno y el neutrón dos quark s 20 veces más pesado que el quark d quark b aún más pesado que el quark s quark u carga eléctrica de +2/3; el protón tiene dos y el neutrón uno quark c 375 veces más pesado que el quark u quark t el último en ser observado bosones fundamentales fotón 8 gluones 3 bosones intermediarios W +,W - y Z 0 transmiten las fuerzas fuerza electromagnética fuerza fuerte fuerza débil bosón de Higgs responsable de la ruptura de la simetría electrodébil Tal vez esta tabla ayude a poner a cada uno en su sitio. Fuente: CEA Los neutrinos son fermiones, de carga eléctrica nula. En tanto que fermiones habría que esperar que tuviesen masa, dado que efectivamente son mutuamente impenetrables. Sin embargo este asunto no está resuelto. Esta incógnita tiene implicaciones cosmológicas, ya que al ser los neutrinos las partículas más numerosas del Universo, la masa media de éste depende de la masa del neutrino. Si la densidad media es suficiente para contener al Universo por gravitación, éste no podrá expandirse indefinidamente. Hay otras dos familias de partículas de materia, similares en todos los aspectos a los quarks hacia arriba, quarks hacia abajo, electrones y neutrinos del electrón, excepto que son más pesados. Existen de forma natural en lugares exóticos, como en los núcleos de alta temperatura de las estrellas, aunque también se producen en el CERN. La colección de partículas de la naturaleza se completa con la antimateria, una especie de reflejo perfecto de la materia común. La teoría cuántica relativista exige que a toda partícula le corresponda una antipartícula de carga opuesta. Así se dobla él numero de constituyentes fundamentales. Parece que la antimateria ya no existe hoy en el Universo, pero en el Big Bang, cuando nació el Universo, se piensa que había la misma cantidad de materia que de antimateria. La tabla Las partículas Elementales, presenta a continuación una ordenación clásica de las partículas elementales agrupadas por familias según ciertos criterios de simetría que no intentaré detallar. El modelo estándar Al espíritu científico no le basta rellenar una tabla y reducir el número de fuerzas de la naturaleza a cuatro. Se trata de buscar la simplificación y la unificación. La más moderna descripción unificadora de la materia y de las partículas de las fuerzas se conoce como modelo estándar. Su concepto base es el de simetría. La verificación del modelo estándar se inició en el año Un equipo del CERN aportó un primer indicio experimental confirmando las predicciones ya realizadas: esta teoría postulaba que dos de las fuerzas de la naturaleza la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil no eran más que una y su unificación era evidente a partir de un determinado nivel de energía. Es precisamente eso lo que diez años más tarde iba a establecer definitivamente el más espectacular de los descubrimientos del CERN hasta hoy en día: el de los bosones W +,W - y Z 0, que les valió el Premio Nobel de Física en 1984 a Carlo Rubbia y Simon Van Der Meer. La observación directa, por primera vez en un Laboratorio, de estos bosones aportó la prueba experimental de que dichas partículas no son propiamente partículas, sino partículas portadoras de una fuerza, mediadoras de la fuerza nuclear débil. Su observación confirmó de forma decisiva su relación con el fotón, a pesar de la diferencia de masa entre los dos. Una vez que estos dos tipos de partículas mensajeras fueron relacionados, la teoría se cumplía: a un nivel definido de energía correspondientes a los 100 GeV del LEP la fuerza electro- 38 anales de mecánica y electricidad. Marzo-Abril 2002

9 Modelo digital del ATLAS, uno de los nuevos detectores para el LHC magnética y la fuerza nuclear débil debían manifestar su unicidad de modo que la interacción electro-débil pudiese existir. Este proceso de unificación repite otras síntesis realizadas anteriormente: la unificación entre lo celeste y lo terrestre gracias a la gravitación de Newton, la unificación entre electricidad y magnetismo de Maxwell, la unificación de las descripciones físicas del espacio y del tiempo relatividad de Einstein o la equivalencia entre masa y energía del mismo físico. Cuál es el siguiente paso? Se sabe que el modelo estándar puede ser sólo un paso hacia una teoría mejor, puesto que deja muchas preguntas sin respuesta. Por qué las partículas adquieren masa? Son las fuerzas de la naturaleza aspectos distintos de una misma cosa? No hay realmente antimateria perdida en el Universo? Profundizando en el proceso de unificación, los físicos esperan que a partir de ciertas energías las cuatro fuerzas de la naturaleza se vuelvan comparables, de modo que no sean más que las diferentes caras de una fuerza única.el concepto de partida es el de la simetría, tal como se menciono anteriormente. Una partícula, en tanto que campo, requiere de una función compleja para ser descrita. Esta función compleja posee una amplitud y una fase. Para lograr que las ecuaciones que describen a un tipo de partículas sean independientes de la fase y así respetar cierta simetría matemática, hay que introducir un campo suplementario que resulta ser el campo asociado a la fuerza que interacciona con las partículas analizadas. De este modo la electrodinámica cuántica, que estudia los fenómenos protagonizados por los electrones, protones y fotones, descubre que necesita la fuerza electromagnética los fotones para que la descripción de los electrones y protones, libres sin interacciones, no dependa de la fase elegida y sea matemáticamente simétrica. Los fotones sincronizan la fase de los electrones y de los positrones permitiendo así que haya interacción y las relaciones entre los objetos se vuelven tan importantes como los propios objetos. Se trata por tanto de encontrar la simetría que sostiene cada una de las cuatro interacciones ya conocidas y después encontrar una simetría más global que abarque a las otras cuatro. Dos escollos han aparecido en este camino. El primero es el gravitón, que dice no saber nada de la física cuántica. El segundo se encontró al desarrollarse la simetría electro-débil, que reúne la simetría del electromagnetismo y de la fuerza débil. En sus cálculos teóricos la simetría electrodébil impone cuatro partículas de interacción de masa nula. El fotón tiene masa nula pero los bosones intermediarios W +,W - y Z 0 tienen masa. Para explicar porqué los bosones tienen masa, hecho que rompe por el momento la carrera hacia la unificación, hay que introducir una nueva partícula, el bosón de Higgs, portadora de una interacción que rompe la simetría y aporta su masa a las partículas. Si se comprueba esta teoría, las dos fuerzas, electromagnética y débil, se separan y nos quedamos con una naturaleza dotada de una sola simetría, la electromagnética. Esta ruptura espontánea de simetría El CERN y la Física de Partículas 39

10 habría ocurrido en los inicios del Universo, como un pecado original de la Naturaleza. En el fondo es como si el Universo quisiera burlarse de nuestra manía por el orden y la unificación y castigar nuestra soberbia de querer alcanzar una Teoría del Todo que nos permitiese codearnos con la omnisciencia. El bosón de Higgs es la Torre de Babel de los físicos de partículas. En todo caso la introducción del bosón de Higgs en el modelo estándar lo hace funcionar a la perfección la masa de los bosones intermediarios se hubiera podido predecir mucho antes de su descubrimiento aunque muchos lamentan su falta de simétrica elegancia. Para descubrir entre otras cosas el bosón de Higgs localizable a menos de 1 TeV el CERN está en estos momentos construyendo un nuevo acelerador, el gran colisionador de hadrones LHC. Para mantener en su trayectoria a los haces de protones del LHC, se necesitarán potentes imanes superconductores. Los nuevos cuatro detectores que estudiarán las colisiones del LHC serán mayores y más complejos que los anteriores. También deberán ser más rápidos, para poder analizar alrededor de 800 millones de colisiones por segundo. El CERN es el responsable de la fabricación del acelerador. Sin embargo, la construcción y operación de los detectores implica una colaboración de más de científicos de todo el mundo. Con el LHC el CERN se consagra como el primer laboratorio mundial. Un futuro incierto? Todo el siglo XX se ha beneficiado enormemente con el descubrimiento del electrón, realizado a fines del siglo XIX. Cuál serán los beneficios que la investigación básica actual aportara a la humanidad? El problema actual del CERN es que esta pregunta, que bien se la podría plantear el Ministro de Economía y Hacienda al Director del CERN, se queda sin repuesta. El fracaso de las teorías construccionistas ha desplazado a la física de partículas del peldaño de mejor de la clase que ocupaba antes. El objetivo de la física de partículas es comprender lo fundamental y dar así lugar, junto con la astrofísica, a una cosmología general. El construccionismo cartesiano pretende, a su vez, comprender cualquier nivel de estructura a partir del conocimiento de lo fundamental. En realidad el biólogo no necesita a los quarks para desarrollar su trabajo. Toda jerarquización de las ciencias se convierte en Colisión frontal de partículas. Las particulas de signos eléctricos opuestos siguen trayectorias de curvatura diferente al verse sometidas al campo magnético del detector. imposible y la refriega por obtener los fondos necesarios se plantea de un modo más equilibrado. Las ciencias de la información, las ciencias de los materiales, la climatología y las ciencias de la vida han robado el primer plano a la física de partículas. Víctimas de su propio éxito, los físicos de partículas ven como la imbatibilidad del modelo estándar hace pensar a muchos que puede tratarse de la teoría definitiva para explicar las interacciones fundamentales con baja energía, del mismo modo que la física newtoniana es la teoría correcta si las velocidades son pequeñas comparadas con la de la luz. El fin de la física, en realidad, está tan lejos de nosotros como el ya olvidado final de la historia. Los defectos intrínsecos del modelo estándar no explica el valor de las masas de las partículas y contiene parámetros arbitrarios impide que sea universalizable a energías más altas. Un reto suficiente como para seguir tensando las cuerdas de la exploración científica, que estudia en estos momentos la posibilidad de utilizar el Universo como laboratorio y así eludir los limites que impone el intentar reproducir en la Tierra los fenómenos espaciales. A por los GeV! Bibliografía En los últimos años se han acentuado los esfuerzos de los institutos y laboratorios para producir una literatura de divulgación de sus investigaciones y de explicación de lo que cada laboratorio realiza en concreto. Dado que la Web nació para servir a la comunidad científica, ésta no ha dudado en utilizarla para fines formativos. El portal del CERN contiene suficiente información: Para encontrar otros portales en los EE.UU. buscar en: Para los que prefieran el ideal platónico a las sombras que yo haya podido esbozar, les recomiendo Las partículas elementales de Étienne Klein, Editorial Debate. Me atrevo a recomendarlo sinceramente ya que se trata de un mini libro sin fórmulas y de entretenida lectura. 40 anales de mecánica y electricidad. Marzo-Abril 2002