LHC, Partículas Divinas y Agujeros Negros

Desde un tiempo a esta parte he comenzado a ver en diversos blogs y foros desesperadas súplicas de personas que no quieren resignarse a ser destruidos junto con el resto del planeta, en lo que dicen será el destino de todos nosotros en caso que el LHC comience a funcionar. Este artefacto generará tanta energía que recreará las condiciones primigenias del universo, aparecerán partículas ignotas y, dicen, agujeros negros que podrían tragarse por completo al planeta Tierra.

Como sabemos que los chismes y el spam se propagan a la velocidad de la luz, el rumor que el LHC es una especie de Doomsday Machine ha impregnado a gran parte de la blogósfera. Y como no es agradable ver gente repitiendo como loro lo que escucha, pues quisimos aclarar el asunto…o al menos intentarlo.

Nos contactamos con Julio Oliva, nuestro doctor en física residente (actualmente realizando investigación postdoctoral en el CECS). Si bien dijo no ser experto en partículas, decidimos darle una oportunidad para que nos explicara de qué va todo este asunto.

Comencemos desde el principio: ¿Qué es el LHC?

El LHC es el más grande y reciente acelerador de partículas que se ha construido. Su nombre es debido a las iniciales en inglés de Large Hadron Collider que significa Gran Colisionador de Hadrones. Fue construido en el CERN que es una institución europea para el estudio de la energía nuclear y la estructura a escalas pequeñas de la materia.

Bien, creo que ese no fue el principio. ¿Qué es un acelerador de partículas?

Puedes imaginarlo como un cañón que en vez de lanzar misiles, dispara partículas diminutas de materia. Y bueno, así como el cañón normal dispara usando pólvora, el cañón de partículas las impulsa a velocidades cercanas a la de la luz contra un blanco determinado utilizando campos electromagnéticos increíblemente poderosos.

Perfecto, entonces el LHC es un acelerador de partículas llamadas hadrones, las que son impulsadas por medio de un campo electromagnético. Pero… ¿qué son los hadrones después de todo?

Se cree que las partículas que componen la materia de la naturaleza se clasifican en dos tipos: quarks y leptones. Los quarks son partículas subatómicas que forman los protones y neutrones. Por otro lado, los electrones y neutrinos son ejemplos de leptón. Hay otro tipo de partículas llamadas bosones, las que según se piensa son las responsables que las anteriores interactúen; en el sentido que si dos partículas se atraen o se repelen, se debe al mutuo intercambio de bosones.

Recordemos que las interacciones o fuerzas entre partículas son cuatro: electromagnética, nuclear débil, nuclear fuerte y gravitacional. Para la interacción electromagnética existe el fotón; para la interacción débil hay tres partículas llamadas W+, W- y Z0 y para la interacción fuerte hay ocho gluones. Para la interacción gravitacional se supone que existe el gravitón, pero no ha sido posible encontrar una teoría consistente para la interacción gravitacional cuántica.

Resumiendo: los átomos están compuestos de quarks y leptones y, para que éstos interactúen con otros átomos, deben intercambiar bosones, ya sea en forma de fotones, gluones o partículas W+, W-, Z0.

Te prometo que te puse atención, pero la verdad es que no sé si me respondiste la pregunta.

Tranquilo. Dicho lo anterior ya estás en condiciones de entender la respuesta: un hadrón se define como un estado ligado de quarks, lo que significa que varios quarks se juntan para producir una partícula más pesada. Hay dos tipos de hadrones, los mesones y los bariones. Los primeros son agrupaciones de dos quarks (y antiquarks), mientras que los segundos son de tres. El protón y el neutrón son bariones, lo que significa que están compuestos por tres quarks.

Creo que entendí. Hadrón es el nombre génerico con el que se conoce a las partículas compuestas por quarks, tales como el protón o neutrón, y que según recuerdo del colegio son los constituyentes del átomo. Un LHC o Colisionador Grande de Hadrones no es más que un super cañón electromagnético que acelera y hace chocar contra un blanco protones y neutrones, o bien quarks y/o antiquarks. ¿Es esto correcto?

Bastante reduccionista para mi gusto, pero sí. Es correcto.

Siguiendo con nuestro diálogo asimoviano: ¿Qué me puedes decir de la llamada “Partícula Divina”?

Todo lo que he dicho anteriormente se circunscribe dentro del Modelo Estándar de la Física de Partículas, teoría consistente tanto con la mecánica cuántica como con la relatividad especial y que describe las interacciones fundamentales de las partículas elementales. Exceptuando la gravitación que es caso aparte.

Este modelo de interacciones fundamentales se ha ido construyendo gracias a un esfuerzo conjunto entre físicos teóricos y experimentales. Los primeros desarrollando la matemática del modelo, y los segundos poniéndola a prueba en los aceleradores de partículas. Uno de los resultados de esta colaboración sinérgica, es que ha sido posible explicar varias de las fuerzas fundamentales como casos particulares de una interacción aún más fundamental.

Siguiendo en esta dirección, uno de los objetivos en física es encontrar la Gran Fuerza de donde se originan la fuerza electromagnética, interacción nuclear débil y fuerte y la gravitación. A esto se le conoce como la Teoría de la Gran Unificación (TGU)… pero antes de seguir, dime ¿todo bien hasta aquí?

Creo que sí. Pero sigue con la explicación, no te detengas, mira que la curiosidad me provoca comezón…

Bien. Sucede que en la segunda mitad del siglo XX fue posible construir una teoría unificada de la interacción electromagnética con la interacción débil. Pero en esta teoría los portadores de la interacción (los bosones que ya te mencioné) tienen masa cero. Para poder dar masa a estas partículas y explicar ciertos procesos que no viene al caso explicar, por ejemplo el decaimiento beta, es necesario romper una simetría que tiene el modelo y es aquí donde entra la Partícula Divina, que formalmente recibe el nombre de Bosón de Higgs.

¿Y qué es lo que tiene de divino el Bosón de Higgs?

En primer lugar, señalar que hasta el momento la existencia de este bosón no ha sido probada. Como ya podrás intuir, la forma de encontrarlo es por medio de colisiones de partículas a altísimos niveles de energía utilizando aceleradores de partículas. Hasta que el LHC entre en funcionamiento pleno, no existe un artefacto en el mundo que genere la energía suficiente para recrear las condiciones en la que el Bosón de Higgs pueda manifestarse.

Sucede entonces que el Bosón de Higgs es una pieza clave en el Modelo Estándar. Determinar con certeza su existencia implica que el modelo es correcto y válido hasta muy altos niveles de energía. Esto tendría como gran consecuencia el hecho que la física que hoy conocemos es la misma física que sería necesaria para describir situaciones tan energéticas como los primeros momentos después del inicio del universo. Por el contrario, si a partir de los experimentos se determina que el Bosón de Higss no existe, se debería utilizar modelos alternativos para la física de partículas. Como es usual en ciencia, ambos escenarios son igualmente importantes, motivadores y un gran paso adelante en nuestra comprensión de la estructura última de la naturaleza.

¿Cuáles son los motivos para pensar que puede destruir el planeta al ponerse el marcha el LHC? ¿Cuál es esa razón para concluir que no hay riesgo?

Según la física que hoy conocemos no hay razón por la cual preocuparse. Según he oído, el peligro que se ha señalado es la creación de un agujero negro que se trague el planeta. Entonces supongamos que se crea un agujero negro en una colisión. Este tipo de predicción está basado en modelos teóricos que requieren la existencia de dimensiones extra si bien compactas, no tan pequeñas. Este modelo no ha sido probado experimentalmente por lo que en principio, y digo solo en principio, no hay evidencias de que se realice en la naturaleza.

Y qué tal si se pone en funcionamiento el LHC, se hacen colisionan partículas, hadrones, quarks, abogados y todo lo que quieras… y paf! se encuentra el Bosón de Higgs. Todo perfecto hasta que ouch! También encontramos un lindo agujero negro en medio de Europa. Chernobyl sería casi una bendición comparado con esto. ¿Qué sucede en tal escenario?

Ok, ya que te gusta la ciencia ficción sigamos con la idea de que se genere un agujero negro por una colisión. Nuevamente, el modelo en el que están basadas estas predicciones usa a la Relatividad General como teoría de gravitación en dimensiones extras. En esta teoría, según mostró Hawking, los agujeros negros emiten radiación y eventualmente desaparecen pues se llevan toda su energía. La tasa de emisión de radiación es inversamente proporcional al tamaño del agujero negro, por lo que mientras más pequeño es el agujero negro, más rápido emite radiación y más rápido entonces desaparece. Lo agujeros negros que se supone serían creados en el LHC son muy pequeños así que si Hawking tiene razón deberían desaparecer rápido y no tendrían tiempo para comenzar a tragarse la materia de a su alrededor.

Pero… ¿y en qué escenario el agujero negro que se forma es una magnitud suficiente como para tragarse el planeta?

Las preocupaciones acerca de la creación de agujeros negros en el LHC comenzaron cuando algunos científicos que trabajaban en unos modelos de compactificación predijeron que una señal de la existencia de dimensiones extras sería la creación de agujeros negros en el LHC después del choque de núcleos pesados.

En general en física de partículas lo que se calcula es algo como lo siguiente: supón que lanzas dos electrones a chocar con cierto ángulo entre ellos, entonces la física de partículas te permite calcular cuál es la probabilidad que luego del choque los electrones u otras nuevas partículas que se creen en el proceso salgan en uno u otro ángulo.

Entonces, lo que hicieron estos científicos que trabajan en esos modelos de compactificación (dimensiones extras chicas), fue calcular algo así como la probabilidad de que luego que choquen dos núcleos pesados se genere un agujero negro que salga en una dirección dada. Ahora, todos esos cálculos dependen que estos modelos sean ciertos, y la verdad es que cuando estos han sido tratados de ser aplicados al universo, digamos en cosmología, nadie ha sido capaz de predecir algo que se pueda medir (todo lo anterior dentro del modelo de compactificación). Entonces, si bien el modelo no ha sido completamente descartado, es poco probable que se realice en la naturaleza.

Este es el mismo modelo que es utilizado para predecir la existencia de agujeros negros en el LHC así que es poco probable que un objeto de estos se forme, puesto que el modelo que los predice no es del todo correcto. Ojo que este modelo de compactificación no tiene nada que ver con el modelo estándar de la física de partículas, que es algo que está más o menos bien comprobado salvo por el hecho de que no han encontrado la Partícula Divina.

¿Y si Hawking no tiene razón?

Pues llamas al Enterprise y enfilas a warp 9 rumbo al infinito y más allá…