A la caza de la materia oscura

Esta semana dos noticias han puesto el foco en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN). Una es el fallecimiento de Peter Higgs, premio Nobel y descubridor del bosón de Higgs, popularmente conocida como «la partícula de Dios». Otra es el eclipse solar. Este ha generado una lluvia de especulaciones por su coincidencia con el reinicio de operaciones del LHC (Gran Colisionador de Hadrones. Sin embargo, «hay que aclarar que no existe ningún vínculo entre el eclipse solar y lo que hacemos en el laboratorio, que tiene poco que ver directamente con la astrofísica. Cada año, después de una breve parada técnica invernal, reiniciamos nuestro complejo de aceleradores y este trabajo requiere de un tiempo de puesta en marcha para comprobar que todo el equipo funciona correctamente. Después de realizar todas las comprobaciones, las primeras colisiones de este año se produjeron efectivamente hace unos días y continuarán durante todo el año», dice el portavoz del laboratorio.

El LHC no es el único acelerador del CERN pero sí el mayor. Está situado a cien metros de profundidad en un punto del mapa entre Suiza y Francia y tiene 27 km de diámetro. Está formado, dice el portavoz del CERN, por «imanes superconductores que impulsan la energía de partículas como los protones dentro del acelerador. Dos haces de estas partículas de alta energía viajan a una velocidad cercana a la de la luz antes de chocar. Estas partículas son tan diminutas que la tarea de hacerlas colisionar es similar a disparar dos agujas a 10 kilómetros de distancia con tal precisión que se encuentran a mitad de camino».

En los experimentos del laboratorio participan miles de investigadores de más o menos una veintena de países del mundo. «Aquí se crea materia a partir de energía, siguiendo postulados que tienen su origen en la teoría de la relatividad de Einstein», dice Aurelio Juste, investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) de la Universidad Autónoma de Barcelona. Sus investigaciones actuales se centran en el experimento Atlas, uno de los grandes detectores de partículas construidos en el LHC, porque aparte de producir partículas, estas tienen que ser observadas para poder determinar cómo son, por ejemplo, cuál es su masa...

La partícula divina

En resumidas cuentas el acelerador de partículas de Suiza reproduce las condiciones en el universo inmediatamente después del Big Bang de manera que se pueda entender por qué es tal y cómo lo conocemos, es decir, cómo es la materia, su estructura y las fuerzas fundamentales de la naturaleza, «Una física que no es accesible en condiciones normales. Gracias al LHC podemos analizar esos procesos físicos que han tenido consecuencias a lo largo de la evolución del universo como la creación de la materia oscura», apunta Aurelio Juste del IFAE.

Parte de lo que ocurrió en el momento del Big Bang se ha explicado con el llamado modelo estándar. «Gracias a los experimentos se sabe que los protones y neutrones que conforman el núcleo de los átomos se pueden dividir en partículas todavía más pequeñas. El descubrimiento de estas partículas subatómicas fue el comienzo del desarrollo de una de las teorías más importantes de la física, el modelo estándar. Este contempla 17 partículas fundamentales que al interactuar entre ellas mediante la influencia de unas fuerzas conforman el universo que conocemos. La última pieza que faltaba para completar este modelo era el Bosón de Higgs descubierto finalmente en 2012», detalla la doctora Raquel González Arrabal del Instituto de Fusión Nuclear «Guillermo Velarde» y del departamento de Ingeniería Energética de la Universidad Politécnica de Madrid.

Se han detectado todas las partículas del modelo estándar que lo conforman incluido el bosón de Higgs. En los 60 Peter Higgs, fallecido esta semana, empezó a trabajar en una teoría sobre una partícula elemental que permitiría entender el origen de la masa en el universo. Algo que no pudo demostrarse hasta la aparición del LHC (en operación desde 2008). En 2012 se detectaron evidencias de esa partícula capaz de dotar de masa al resto, motivo por el que se la bautizó popularmente como «La partícula de Dios». En 2013, los científicos François Englert y Peter Higgs fueron reconocidos con el Premio Nobel de Física por este hallazgo.

Materia oscura y un universo de 10 dimensiones

El modelo estándar, sin embargo, ha llegado a su límite y no sirve para conocer, por ejemplo, qué sucede dentro de un agujero negro o qué es la materia oscura. «Es un momento muy interesante de la investigación porque hay muchos enigmas y muchas teorías como la de supercuerdas que sostiene que vivimos en un universo de 10 dimensiones (más allá de la del espacio y el tiempo que percibimos los humanos). Para demostrar estas teorías, como la de la supersimetría, necesitamos encontrar los ingredientes que las componen», dice Juste.

La naturaleza de la materia oscura es uno de estos grandes enigmas pendientes de la física; se sabe que existe, que es la materia dominante en el universo y que influye en él, pero por ahora no hay ningún indicio de la existencia de partículas de materia oscura en las colisiones, aunque se sigue buscando. Para entender la complejidad del funcionamiento del gran colisionador en su búsqueda de partículas bastan las palabras del CERN: «Solamente unas pocas de entre las 1.000 millones de colisiones cada segundo tienen las características especiales que puedan conducir a nuevos descubrimientos». «El modelo estándar ya está completo, pero tan solo es capaz de predecir el 4% del universo conocido. Aún quedan preguntas por resolver a las que este modelo no da explicación tales como los neutrinos y sus masas, por qué hay más materia que antimateria, la presencia de la materia oscura o por qué la gravedad es tan débil en comparación con otras fuerzas. Estas incógnitas nos hacen pensar que lo que se ha visto hasta el momento no es todo lo que hay, por ejemplo, las deformaciones en el camino de la luz observadas con el telescopio Hubble, la rotación de las galaxias, etc., dan pistas sobre la existencia de la materia oscura. Esto quiere decir, que lo que ocurre es que hemos llegado al límite de lo que podemos observar con las herramientas de las que actualmente disponemos», matiza Raquel González de la UPM.

Aplicaciones tecnológicas

¿Por qué es tan importante saber qué pasó en los primeros momentos del universo? Además de porque el ser humano quiere entender, algunas de estas grandes preguntas llevan aparejados desarrollos tecnológicos o aplicaciones comerciales. «La física de partículas trata de dar respuesta a estas preguntas y eso nos fuerza a desarrollar tecnología. Ejemplos de aplicaciones surgidas por la física son internet o las terapias con protones. Algunas de las preguntas pendientes nos llevarán cientos de años y quizá traigan aparejados aplicaciones para viajes interestelares o para generar energía usando el cosmos», dice Juste, a lo que Raquel González añade otros usos como «el desarrollo de la superconductividad a gran escala para su aplicación en la generación de altos campos magnéticos, que no podrían lograrse de otra manera».

En este querer entender cómo y por qué la materia en el universo es cómo es, el CERN se ha fijado un nuevo reto: aumentar la luminosidad del LHC para seguir buscando partículas de las que hasta ahora no se tiene constancia. «La consecución de estas energías podría darnos acceso al descubrimiento de nuevas partículas que contribuirían al desarrollo de una teoría unificada de la física. Otro de los objetivos es aumentar la energía a la que las partículas colisionan, la idea es hacerlo hasta conseguir energías de al menos 100 TeV, el LHC actual trabaja con una energía de 16 TeV. para lo que es necesario construir un nuevo colisionador hadrónico», concluye la investigadora de la UPM Raquel González.

El efecto gravitacional de la luna

El funcionamiento del acelerador es complejo y delicado. No solo, como dice el CERN, porque unas pocas de entre las miles de colisiones que tienen lugar cada segundo darán lugar a hallazgos, sino también porque hay fenómenos naturales y lejanos que le afectan como el efecto gravitacional de la luna. El acelerador es tan grande que la fuerza gravitacional que ejerce nuestro satélite no es la misma en todos los puntos, lo que crea pequeñas distorsiones dentro del túnel. La máquina los percibe debido a su alta sensibilidad. Esto ocurre a medida que la luna sale en el cielo; la fuerza que ejerce va transformándose lo suficiente como para requerir una corrección periódica de la órbita de los haces de partículas en el acelerador: «cambian las órbitas, y no solo eso, lo hacen de distinta manera a lo largo del paso de las partículas», dicen desde el CERN y añaden que todos los experimentos necesitan de estas correcciones.