¿Qué es el Gran Colisionador de Hadrones?

• El Gran Colisionador de Hadrones o LHC, por sus siglas en inglés, es el acelerador de partículas más grande y poderoso que se ha creado hasta el momento. 
• En un acelerador de partículas, partículas subatómicas se aceleran a velocidades cercanas a la de la luz para que estas colisionen y así poder estudiar los efectos de estas colisiones. En muchos casos, estas colisiones pueden llevar a la creación de partículas nuevas. 
• En el complejo del CERN, hay una serie de aceleradores que trabajan en conjunto con el LHC para acelerar partículas a velocidades nunca antes logradas. Esto nos ha permitido tener por primera vez evidencia del campo Higgs: campo que explica el origen de la masa de los objetos. 
• Algunos creen que estas altas colisiones energéticas pueden generar peligros para nuestro planeta y a la humanidad. Por ejemplo, creen que es posible que se generen agujeros negros miniatura.
• Sin embargo, la Tierra es bombardeada por partículas con mayor energía y hasta ahora no hemos visto evidencia de estos agujeros miniatura. Además, las leyes de la mecánica cuántica explican que, si esto fuera posible, estos agujeros se desintegrarían inmediatamente.

Empecemos por lo primero. ¿Qué es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC)? El LHC, por sus siglas en inglés, es el acelerador de partículas más grande y poderoso que se ha construido en el mundo y es parte del complejo de aceleradores de la Organización Europea para la Investigación Nuclear o CERN (por sus siglas en francés). Pero vayamos por partes y analicemos cada uno de estos tres términos: “gran”, “colisionador” y “hadrones”. Dejemos por un momento de lado lo que es un acelerador de partículas que lo explicaremos en breve.

Según el CERN, la palabra “gran” se debe a su tamaño. Esta máquina tiene una circunferencia de 27 kilómetros de perímetro, que se encuentra en la frontera de Suiza y Francia. En la imagen de abajo podemos ver la distancia que cubre este gran acelerador.

(Fuente: CERN)

Por otro lado, la palabra “hadrón” se refiere al tipo de partículas con las que se experimenta en esta máquina. Pero ¿qué es un hadrón? Recordemos que los átomos, aquellos bloques fundamentales de la materia, están constituidos por partículas subatómicas: los neutrones (que tienen una carga neutra), los protones (que tienen una carga positiva) y los electrones (que tienen una carga negativa). A su vez, los protones y neutrones están formados por otras partículas que llamamos quarks. En la imagen de abajo podemos ver como ejemplo el modelo de un átomo de nitrógeno:

Como explica la Enciclopedia Británica, los hadrones son cualquier partícula subatómica compuesta de quarks. En otras palabras, los protones y neutrones son hadrones, pero no los electrones (no están compuestos de quarks). Ahora, existen otros tipos de hadrones, pero tienen una vida muy corta y son producidos en colisiones altamente energéticas entre partículas subatómicas en aceleradores. Y justamente este último punto nos lleva al último término del nombre: colisionador.

Esta máquina hace que dos rayos de partículas subatómicas (principalmente protones) viajen en direcciones opuestas a gran velocidad para que choquen en 4 puntos específicos donde se encuentran detectores que analizan los resultados de estas colisiones. Pero, veamos más a fondo qué es un acelerador de partículas para entender mejor este funcionamiento.

Como explica el CERN, los aceleradores de partículas propulsan partículas con carga eléctrica, como los protones (carga positiva), a velocidades cercanas a la de la luz. Luego, dependiendo del acelerador, estas partículas chocan contra un blanco o contra otras partículas que circulan en dirección opuesta. ¿Por qué hacen esto los científicos?

Según el CERN, al estudiar estas colisiones, los físicos son capaces de estudiar y probar cosas del mundo subatómico. Cuando estas partículas chocan, la energía de estas colisiones es transformada en materia, en la forma de nuevas partículas. Las más masivas de estas nuevas partículas son las mismas que existieron en los primeros momentos de la formación del universo, por lo que el gran colisionador de hadrones ayuda a los científicos a comprender mejor cómo se formó el universo.

(Imagen del detector ATLAS detectando partículas subatómicas – Fuente: CERN)

Los aceleradores de partículas usan campos magnéticos para acelerar y controlar la trayectoria de las partículas. Ahora, existen distintos tipos de aceleradores. Por ejemplo, los aceleradores lineares son estructuras rectas que aumentan la aceleración de las partículas. Al ser rectos, para aumentar la velocidad de las partículas es necesario aumentar el tamaño de la estructura.

(Acelerador lineal – Fuente: John O´Neil)

Por otro lado, en los aceleradores circulares, las partículas repiten el mismo circuito obteniendo un aumento de energía en cada vuelta. En teoría, la energía podría ser incrementada una y otra vez hasta llegar a la velocidad de la luz. Sin embargo, mientras más energía obtienen las partículas, los imanes que las mantienen orbitando de manera circular deben ser más fuertes.

El LHC es una acelerador de partículas que a través de una estructura circular hace colisionar a velocidades cercanas a las de la luz partículas subatómicas, generando energías de 13 teraelectronvoltios (TeV). Estas colisiones producen partículas masivas como el bosón de Higgs, que al medir sus propiedades los científicos incrementan nuestro entendimiento sobre la materia y los orígenes del universo. Sin embargo, estas partículas decaen y se transforman rápidamente, por lo que es necesario tener detectores especializados.

El LHC se encuentra en el complejo de aceleradores del CERN. ¿Qué es esto? Es una sucesión de máquinas diseñadas para acelerar gradualmente un rayo de partículas a un nivel determinado de energía. Cabe resaltar que el LHC es un acelerador entre varios que conforman el complejo del CERN y que fueron construidos en distintos años (como veremos en el gráfico). De esta manera, con cada máquina, las partículas alcanzan velocidades cada vez más grandes. Abajo, puedes observar un gráfico esquemático del complejo del CERN.

¿Pero cómo funciona? El siguiente video del Centro Nacional de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN) de España explica el proceso. Primero, se bombean átomos de hidrógeno a un acelerador de partículas lineal llamado LINAC 2 (que se puede observar en la parte inferior del gráfico). En este acelerador se les quita los electrones a los átomos de hidrógeno, de tal forma que solo quedan protones (el núcleo de estos átomos tiene solo un protón). Luego, se acelera a estos protones hasta que alcanzan una velocidad equivalente a un tercio de la velocidad de la luz.

Una vez que alcanzan esta velocidad entran al Booster, un acelerador circular en el que los protones alcanzan el 91.6% de la velocidad de la luz. Después, pasan al Sincrotón de Protones (PS). En él, las partículas son aceleradas por 1.2 segundos hasta alcanzar una velocidad superior al 99.9% de la velocidad de la luz, para luego pasar al Super Sincrotón de Protones (SPS), donde su velocidad aumenta para pasar finalmente al LHC. 

Del Super Sincrotón, los protones son inyectados al LHC en direcciones opuestas. Un grupo de partículas viaja por un tubo, mientras otro grupo viaja por otro tubo en dirección opuesta. Estos tubos son mantenidos en vacío y tienen electroimanes superconductores para controlar de manera precisa la trayectoria de las partículas. Miles de magnetos son usados para lograr esto. 

Finalmente, los protones colisionan en cuatro puntos especiales, donde se encuentran los detectores de partículas (los puntos marcados con estrellas en nuestro gráfico): ATLAS, CMS, ALICE y LHCb. Cuando estas partículas chocan, se generan temperaturas 100 mil veces más calientes que las que se dan al interior del Sol. Asimismo, se generan nuevas partículas, las cuales son detectadas por los instrumentos mencionados. De esta manera, los científicos pueden estudiar los elementos que componen la materia de la que está hecha el universo.

Ahora, como astrofísico Ethan Siegel explica, algunas personas temen que los niveles de energía producidos por las colisiones de partículas en el LHC puedan causar catástrofes: principalmente se tiene la idea de que estas colisiones podrían generar mini agujeros negros. Si no sabes qué es un agujero negro, puedes entrar a nuestro informe sobre ellos. Pero, básicamente, son entidades que tienen tanta gravedad que pueden absorber todo a su paso, incluso la luz. 

Sin embargo, el mismo CERN explica que no hay razones para temer. Esta institución indica que las cuestiones de seguridad han sido debidamente abordadas. Para ello, el LHC Safety Assessment Group (LSAG) ha actualizado una revisión que llevó a cabo un grupo independiente de científicos el 2003 sobre la seguridad de los experimentos realizados. 

El LSAG reafirma y extiende las conclusiones del estudio del 2003: los experimentos no presentan ningún peligro ni razones para preocuparse. Cualquier cosa que el LHC puede hacer, la naturaleza ya lo ha hecho muchas veces durante la vida de la Tierra. Este reporte del LSAG ha sido revisado y respaldado por el CERN’s Scientific Policy Committee, un grupo de científicos externos que asesoran al CERN.

(Agujero Negro – Fuente: Ute Kraus)

Pero ¿podemos estar tranquilos? Como explica Siegel, si bien es la primera vez que creamos partículas con estos niveles de energía en nuestros laboratorios, partículas con mayor energía golpean la Tierra constantemente: rayos cósmicos que vienen del espacio. Si existiesen estos mini agujeros negros, estos habrían estado bombardeando la Tierra desde los inicios de la historia de nuestro sistema solar, y no hay evidencia de ello. 

Ahora, incluso si un mini agujero negro se creara en el LHC, esto no supondría un peligro. Siegel y el CERN afirman que, debido a las leyes de la mecánica cuántica, este agujero se desintegraría inmediatamente. Por otra parte, en el hipotético caso de que este no se disuelva, sería tan pequeño que tardaría más que la propia vida de nuestro Sol para tragar suficiente materia para llegar a pesar un kilogramo.

Como explica el CERN, en 1970 se desarrolló una teoría llamada el modelo estándar de partículas. Este modelo describe las partículas fundamentales, así como sus interacciones y ha predicho con precisión una serie de fenómenos y explicado de manera satisfactoria muchos resultados experimentales en la física. Sin embargo, este modelo está incompleto: deja muchas preguntas abiertas, como el origen de la masa. 

El modelo estándar no explica ni el origen de la masa ni por qué algunas partículas son más pesadas que otras. Sin embargo, Robert Brout, François Englert y Peter Higgs propusieron que las partículas obtienen su masa cuando interactúan con un campo llamado el campo de Higgs: las partículas que interactúan más con este campo son más pesadas, mientras aquellas que interactúan menos, son menos pesadas. Si quieres conocer más sobre esto, te recomendamos que leas este informe. 

Desde los 80s, se trató de encontrar este campo; sin embargo, recién el 2012 se encontró evidencia de él, gracias a los experimentos del CERN en el LHC. ¿Qué más se ha descubierto? Además de haber encontrado por primera vez en nuestra historia evidencia del campo de Higgs, también nos ayudó a corroborar lo que dice el modelo estándar sobre las partículas que describe: nuestro modelo parece describir al 100% lo que vemos en el comportamiento de estas partículas subatómicas creadas por el LHC. En el siguiente artículo de Ethan Siegel, podemos ver un recuento sobre lo que se ha descubierto y lo que no se ha descubierto aún. 

Lamentablemente, así como se han descubierto cosas emocionantes como el campo de Higgs, hay cosas que aún no se han encontrado. Por ejemplo, el LHC no ha logrado crear materia oscura, algo que muchos científicos esperaban. Cabe resaltar que en nuestro universo parece haber más materia y energía oscura que la materia y energía que vemos. Sin embargo, en los próximos años se espera mejorar los equipos del LHC para poder detectar evidencia sobre este tipo de materia.