POR COMENZAR, LAS PRUEBAS DEL COLISIONADOR DE PARTÍCULAS MÁS GRANDE DEL MUNDO

El viaje está por comenzar. La nave, llamada Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), está lista para llevar a científicos de todo el mundo, incluidos a integrantes de los institutos de Física (IF) y Ciencias Nucleares (ICN) de la UNAM, a un lugar maravilloso, aunque aún desconocido.

Éste, el acelerador de partículas más grande y potente del mundo, comenzará este mes las primeras pruebas, y podría cambiar la visión del universo, afirmaron los investigadores del IF, Arturo Menchaca Rocha, Andrés Sandoval Espinosa y Ernesto Belmont Moreno.

Los universitarios participan en el proyecto denominado ALICE (A Large Ion Collider Experiment), en particular en dos de sus sub-detectores: el V0 y el Cosmic Ray Detector (ACORDE). El primero, donde colabora el IF, se subdivide en el V0A y el V0C; en el segundo intervino el ICN.

El V0 o “detector de disparo” tiene la función de seleccionar, de las colisiones que se llevarán a cabo, las de mayor interés, pues no se podría almacenar información relativa a todos los eventos. Una vez realizada la primera "elección" entra en funciones toda la capacidad del detector, explicó Menchaca. En el experimento ocurrirán más de ocho mil colisiones por segundo, pero de esas, el ALICE sólo podrá tomar 100 y es el detector V0 uno de los que decidirá cuáles son las de mayor interés.

En tanto, el ACORDE es un dispositivo externo, colocado por encima del resto de los instrumentos. Tiene la función de detectar rayos cósmicos provenientes del espacio exterior, los que se usan para calibrar los detectores del experimento antes de que ocurran las primeras colisiones.

Objetivo

El LHC está a cargo de la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en francés), y se tiene previsto inaugurarlo en octubre de este año. En él se pretenden recrear los primeros microsegundos de vida del universo, del Big Bang y, en especial, encontrar el llamado bosón de Higgs, que explicaría por qué las partículas tienen masa y por qué son diferentes en cada caso.

Por ejemplo, permitirá entender por qué un electrón es mucho más ligero que un protón, por qué unos quarks –subpartículas atómicas que forman a los protones y neutrones–, son ligeros y otros pesados, con diferencia de miles de veces en las escalas entre uno y otro.

De igual forma, se tratará de entender la simetría entre partículas y anti partículas. La teoría de la gran explosión predice que al inicio del universo todo era energía que se materializó; en tanto, las leyes de la Física establecen que debe existir tanto materia como antimateria.

No obstante, hasta donde se sabe no existen galaxias o estrellas de antimateria. Por ello, se tratará de averiguar su desaparición, seguramente asociada a la “violación de CP” (es decir, de la violación simultánea de la conservación de la carga y de la paridad), que podría deberse a las subpartículas denominadas mesones B, formadas por un quark y un antiquark (materia y anti-materia), donde uno de ellos es un quark b de la tercera y más masiva familia de quarks.

Empero, aseguró Menchaca –ex director del IF y doctor en Física Nuclear por la Universidad de Oxford, Inglaterra–, con los experimentos siempre hay un elemento “sorpresa”. En investigación original, los resultados más importantes son aquellos que no coinciden con lo planteado. Como el viaje que emprendió Cristóbal Colón hace más de 500 años en la ruta hacia la India, que llevó al descubrimiento de todo un continente.

El objetivo inicial no se cumplió, pero en la odisea se hicieron hallazgos magníficos, como que la Tierra tiene un polo geográfico y otro magnético. De ese modo, lo único cierto es que "se aprenderá mucho, pero no se sabe qué”. La energía del LHC es 30 veces más grande que la antes lograda en el acelerador más grande para iones, en Estados Unidos, y cinco millones de veces más potente que los de la UNAM. Estos instrumentos son una especie de 'microscopios' que permitirán ver un mundo inexplorado, cada vez más pequeño".

Seremos testigos de lo que por muchos años más será la frontera del conocimiento en este campo, añadió el especialista.

De hadrones y colisiones

El LHC es un esfuerzo internacional, donde participan alrededor de siete mil físicos de 80 países. Consta de un túnel en forma de anillo, con dimensiones interiores parecidas a las del metro subterráneo de la Ciudad de México, y una circunferencia de 27 kilómetros. Está ubicado entre las fronteras de Francia y Suiza, cerca de la ciudad de Ginebra, a profundidades que van entre los 60 y los 120 metros debido a que una parte se encuentra bajo las montañas del Jura, describió el físico por la UNAM, Andrés Sandoval Espinosa, quien realizó estudios de doctorado en Alemania, donde trabajó en el Instituto Max Planck de Física Nuclear.

Se trata de un acelerador que, al mismo tiempo, es un colisionador, porque acelera haces de partículas en dos sentidos que, eventualmente, chocan entre sí, a diferencia de uno convencional donde un haz choca contra un blanco fijo. Esa, explicó el doctor por el Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Ernesto Belmont, es la manera de obtener en el laboratorio una energía máxima que genere nuevos fenómenos.

Es la diferencia entre "un tren impactando contra una pared fija, y dos trenes que chocan entre sí, a la misma velocidad. Obviamente, la segunda colisión es más violenta; efectos relativistas hacen que a energías del LHC este efecto sea un factor de 100 y eso es lo que se va a aprovechar para hacer que partículas a altísimas energías, protón-protón, se destruyan entre sí y produzcan miles de partículas secundarias", detalló.

En el acelerador las partículas subatómicas o hadrones aumentan su velocidad y energía poco a poco, con cada vuelta, y por eso se requiere un cambio gradual en el campo magnético, hasta llegar al máximo; es entonces cuando se produce la colisión, abundó.

Para que funcione, el LHC debe alcanzar una temperatura de 1.9 grados Kelvin (es decir, 270 grados centígrados bajo cero) en los 27 Km de circunferencia. Ello es necesario para producir superconductividad en los más de mil 200 imanes que conducen a las partículas –cargadas eléctricamente–, dentro del colisionador, y que alcanzarán una velocidad cercana a la de la luz.

El Gran Colisionador de Hadrones se convertirá en el "punto más frío del universo", ya que incluso la radiación cósmica de fondo que permea el espacio es más "cálida", con 2.7 grados Kelvin.

Al mismo tiempo, en su interior, al momento de hacer chocar las partículas y producir un nuevo tipo de materia, como la que existió en el nacimiento del universo, se producirá una temperatura 100 mil veces más alta que la existente en el núcleo del Sol, concentrada en un pequeñísimo punto.

La UNAM en ALICE

Para cumplir los objetivos, el LHC se conforma de diferentes experimentos: el A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) y el Compact Muon Solenoid (CMS), que irán en la búsqueda del bosón de Higgs; así como el LHCb, que medirá las propiedades de “la violación de CP”, y el ALICE, que recreará las condiciones del nacimiento del cosmos, refirió Menchaca.

En éste último, la participación de la UNAM, a través del IF y el ICN, es importante. Con este experimento se planean colisiones plomo-plomo, los núcleos más pesados que se pueden acelerar, señaló Sandoval.

Así, las partículas que forman el núcleo, protones y neutrones, serán descompuestas en subpartículas: miles y miles de quarks, antiquarks y gluones. Se formará, dijo, un nuevo tipo de materia, llamada materia cromodinámica, como la que existió a los pocos microsegundos después del Big Bang. "Las temperaturas que alcanza son tan altas que no pueden existir ni protones, ni neutrones, ni átomos".

ALICE, donde también participan integrantes de otras instituciones mexicanas, como el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional y la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, se compone, a su vez, de 15 diferentes detectores que localizarán y medirán la trayectoria, energía, masa e identidad de los miles de partículas secundarias que se producirán en un sólo choque.

"El pequeño tubo al alto vacío donde circula el haz de partículas, de unos cuantos centímetros, está en medio de un 'edificio' de instrumentos de siete metros de alto", expuso Belmont.

Tan sólo este experimento tiene quince millones de canales de detección para medir las partículas con mucha exactitud. Las señales se vuelven electrónicas y luego se mandan a las computadoras, donde se digitalizan; es lo que se considera como "un evento", agregó.

"ALICE tiene gran capacidad de analizar las partículas que lo cruzan, sin importar que éstas se generen adentro o afuera. Es un instrumento de imagenología, que se puede usar como un observatorio de rayos cósmicos cuando no se está corriendo el otro experimento, porque hay problemas de Física no resueltos en torno a ellos, que no han sido observados con tan magnífica resolución", añadió Menchaca.

Los detectores se instalaron en diferentes fechas. El ACORDE ha operado desde finales del año pasado a la fecha y ha servido para calibrar al resto de los instrumentos. El V0A está en su lugar, aunque no exactamente en su posición final, desde marzo pasado, mencionó Sandoval.

Ello ocurrirá en cuanto otro aparato que está más adentro de ALICE (a semejanza de las muñecas rusas matruskhas) quede listo. "Éste es uno de los últimos detectores que se instalarán, dentro de una o dos semanas. Con eso, ALICE estará listo para empezar a tomar datos".

La cuenta regresiva

La cuenta regresiva para el comienzo de las pruebas del LHC está por comenzar. Los choques de plomo-plomo y los de protón-protón se harán de forma separada, pero los diferentes experimentos del gran colisionador podrán tomar datos al mismo tiempo.

El funcionamiento no será abrupto, ni consistirá en apretar un botón, aclaró el ex director del IF. Se están enfriando los “octantes” u octavas partes que lo forman y los primeros haces del acelerador serán de prueba. Podrían pasar dos meses para las primeras colisiones.

La inauguración formal ocurrirá en octubre, cuando ya esté funcionando, y se espera tener los primeros resultados a finales de año, adelantó Sandoval.

Con el único "riesgo" para la humanidad de saber más, el LHC está casi listo para comenzar el viaje que ampliará las fronteras del conocimiento en el área de la Física, donde la presencia de mexicanos y, en especial, de especialistas de la UNAM es ya un orgullo.