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El Nuevo Acelerador de partículas de Ginebra: El LHC

Los físicos e ingenieros del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) en Ginebra están muy atareados en estos meses dando los últimos toques al nuevo acelerador de partículas llamado LHC y que empezará a funcionar el próximo otoño. El acelerador fue inaugurado con éxito y con una gran cobertura de periódicos y televisiones de todo el mundo el pasado mes de septiembre, pero una avería que se produjo tras varios días de correcto funcionamiento ha obligado a parar el acelerador e iniciar una reparación tan compleja que va a llevar un año de trabajo. Pero, ¿qué es el LHC? ¿Por qué la noticia de su inauguración armó tanto revuelo? Y ¿para qué sirve el LHC?


Empecemos describiendo que significa el nombre. LHC son las siglas de «Large Hadron Collider» (Gran Colisionador de Hadrones en inglés). Se trata, por lo tanto, de una máquina que acelera protones a una gran velocidad a lo largo de un recorrido circular y en los dos sentidos de forma que los protones que circulan en el sentido de las agujas del reloj chocan con los que circulan en sentido contrario. Las partículas que circulan y chocan en esta máquina son protones, que pertenecen a un grupo más grande de partículas llamadas hadrones. Estas son las partículas que son capaces de sentir la interacción nuclear fuerte y, de hecho, el ejemplo típico de este grupo de partículas es el protón. El LHC no es el primer colisionador de protones que se ha construido. Actualmente hay en funcionamiento en Estados Unidos, situado cerca de Chicago, un acelerador similar pero con una energía 7 veces menor (llamado TEVATRON), lo que hace que su construcción y características sean menos espectaculares que las del nuevo acelerador.

La construcción del LHC ha sido uno de los retos tecnológicos más grandes en los últimos años. Vamos a ver algunos datos para hacernos una idea de lo que decimos. El anillo por el que circulan los protones tiene una circunferencia de unos 27 km aproximadamente. Es decir estamos hablando de una máquina que tiene 27 km de longitud, toda ella metida en una túnel subterráneo de forma que en la superficie se sigue desarrollando la vida normal (hay casas, carreteras, campos de patatas, etc.). Toda esta longitud esta compuesta básicamente por imanes que obligan a los protones a seguir la trayectoria circular deseada y zonas en las que los protones reciben el empujón que los acelera. Para funcionar de forma óptima los imanes tienen que estar a una temperatura de -271°C (más frío que en el espacio exterior y una temperatura a la que los gases como el aire o el helio se han hecho líquidos). Los protones circulan a una velocidad que es el 99,9999991% de la velocidad de la luz. Hay que recordar que, según la teoría de la relatividad, la velocidad de la luz es inalcanzable para cualquier partícula que tenga masa, como es el caso del protón, por lo que, hagamos lo que hagamos, nunca podremos llegar al 100%, sólo podremos acercarnos más y más a la velocidad de la luz. A esta velocidad los protones dan más de 11.000 vueltas a los 27 km de circunferencia en un segundo. Pero los protones no circulan aislados por el acelerador si no que circulan en paquetes de unos cien mil millones de protones en cada paquete. Hay 2808 paquetes circulando constantemente, 1404 en cada sentido. Para aumentar al máximo la probabilidad de que al cruzarse dos paquetes se produzca realmente una colisión de protones el diámetro del paquete se reduce a 16 micras (16 milésimas de milímetro) cuando se acerca al punto de colisión. De esta forma se consigue que haya 31 millones de cruces por segundo y que en cada cruce haya una media de 20 colisiones.

Alrededor de los puntos en los que se produce la colisión se colocan los detectores encargados de registrar las partículas que surgen como resultado de la interacción entre los dos protones. Estos detectores son inmensos aparatos electrónicos en los que se convierte el paso de cualquier partícula en señales eléctricas que son recogidas y grabadas por varios ordenadores. En cada colisión se producen 1,5 Megabytes de datos. Evidentemente, no se pueden grabar todos los datos, pues teniendo en cuenta el número de colisiones que se producen en un segundo, llenaríamos 100.000 CD de datos por segundo y si apilásemos todos los CD grabados en una año haríamos una pila que llegaría de La Tierra a La Luna. Por eso, se han diseñado unos programas informáticos (llamados en inglés «triggers») que hacen un análisis rápido de lo ocurrido en cada colisión y deciden «on-line» si vale la pena guardar los datos producidos en esa colisión o, por el contrario, es mejor borrarlos y ahorrar espacio de disco. Gracias a estos programas, si apiláramos los CD grabados en una año alcanzaríamos «sólo» una altura de unos 9.000 km (la altura a la que vuelan los aviones comerciales). En definitiva, vemos que la construcción del LHC ha representado un reto tecnológico importante, que ha tenido un coste aproximado de 2.200 millones de euros a lo largo de más de 20 años y en el que han estado involucrados un gran número de países de todos los continentes y en el que España ha jugado un papel importante. Todo ello ha llevado a que, cuando este trabajo ingente ha sido finalizado y el acelerador estaba listo para empezar a funcionar se organizase un gran revuelo mediático alrededor de la inauguración a la que asistieron representantes políticos de muchos países y que fue retransmitida por varias televisiones y seguida por todos los periódicos del mundo.

El LHC se ha construido para estudiar con más profundidad la Física de los constituyentes más pequeños del universo, la Física de las Partículas Elementales. En principio, los físicos tenemos una idea de qué tipo de fenómenos podemos encontrar en ese acelerador. Lo más importante, y que todo el mundo destaca, es la búsqueda de una partícula, que aún no ha sido descubierta experimentalmente pero cuya existencia ha sido predicha teóricamente, llamada Bosón de Higgs en honor a Peter Higgs, el físico teórico escocés que predijo su existencia. Esta partícula es la que permite entender de la forma más sencilla posible y dentro de la teoría que llamamos el «Modelo Estándar» el origen de la masa de las partículas elementales. Sin la existencia de esta partícula todas las partículas elementales (el electrón, por ejemplo) serían de masa nula, en contra de lo que hemos observado experimentalmente a lo largo de más de cien años en el caso del electrón. Pero hasta el momento no hemos sido capaces de producir ningún Bosón de Higgs en el laboratorio. Su masa es demasiado alta y los aceleradores actuales no son capaces de producir suficiente energía como para encontrar esta partícula. Por eso, esperamos que al aumentar en un factor 7 la energía disponible en el LHC en comparación con el acelerador actualmente en funcionamiento podamos, por fin, producirla y estudiar sus propiedades para ver si están en buen acuerdo con todas las predicciones teóricas.

La búsqueda del Bosón de Higgs no es el único objetivo científico del LHC. Dentro del Modelo Estándar se podrán estudiar con mucho detalle las propiedades de otra partícula de la cuál sabemos experimentalmente poco más que su existencia. Se trata del quark llamado top, que fue descubierto en 1995 en el acelerador TEVATRON, pero que se produce en muy bajo número en ese acelerador, por lo que no se han podido estudiar sus propiedades y comprobarlas con la teoría. Al tener el LHC una energía mucho mayor, se podrán producir muchos más quarks top y podremos estudiar con detalle muchas de sus propiedades como su masa y las diferentes formas en que se desintegra.

Además de los dos temas mencionados hay una larga lista de estudios dentro de la teoría actual, el Modelo Estándar, que van a ser abordados cuando el LHC empiece a tomar datos. Pero no pensemos que el LHC va a servir únicamente para comprobar si lo que ya sabemos es correcto. Los físicos teóricos tenemos muchas razones para pensar que el Modelo Estándar no es la teoría final, pues deja muchas preguntas sin una respuesta adecuada, pero no tenemos ninguna clave experimental que nos guíe en la búsqueda de esa nueva teoría. El LHC ha sido construido para alcanzar la energía en la que esperamos que esas claves aparezcan. Además siempre tenemos que estar preparados para las sorpresas. No sería la primera vez en la historia de la Ciencia (ni la última) en que buscando algún fenómeno esperado y predicho por las teorías del momento se ha encontrado algo completamente nuevo e inesperado que ha dado un gran impulso a la Ciencia en una dirección insospechada. No estaría nada mal que algo así pasase también en el LHC. Serían tiempos excitantes para la Física.