El LHC ¿la maquina del fin del mundo?
Nicolás Grandi. Instituto de Física La Plata
Empecemos por el principio ¿Qué es el LHC? El LHC o “Large Hadron Collider” (“Gran Colisionador de Hadrones”) es un acelerador de partículas. Una máquina que toma partículas del tipo de las que se encuentran en el núcleo atómico (hadrones) y las pone a girar en un círculo de 27 kilómetros de longitud. Con la ayuda de enormes electroimanes, acelera ese movimiento de modo que las partículas terminen moviéndose a gran velocidad a lo largo del círculo. En un dado momento se toman dos haces de partículas que giran en sentidos contrarios y se los desvía haciéndolos chocar de frente.
¿Por qué producir tal choque? Desde Demócrito, una de las ideas que ha guiado el desarrollo de la física, es que la complejidad del mundo visible puede ser explicada en términos de leyes simples que rigen el funcionamiento de sus componentes elementales. Los primeros químicos llevaron la idea atomista a su etapa de madurez: la infinidad de substancias diferentes que constituyen nuestra experiencia inmediata, pudo ser explicada en términos de sólo un centenar de tipos diferentes de átomos, que se agrupan siguiendo ciertas reglas para formar las moléculas de cada una de las substancias. El catálogo de todas esas reglas y su estudio constituyeron la base de la ciencia que hoy llamamos Química.
Esa asombrosa conclusión se alcanzó mediante la técnica de “romper” las moléculas en sus átomos componentes y luego permitir que tales átomos vuelvan a asociarse en nuevas moléculas. Para producir esta “rotura” los investigadores calentaban sus muestras, es decir daban energía a las moléculas encerradas en sus recipientes de modo de que se movieran muy rápidamente y chocaran, destrozándose en sus átomos componentes, que al volver a chocar se asociaban en nuevas moléculas. El éxito de este programa de investigación motivó su aplicación subsiguiente a los átomos mismos. Si golpeando y rompiendo las moléculas edificamos la Química ¿Qué podríamos lograr golpeando y rompiendo los átomos? De nuevo, el método se mostró exitoso. Golpeando los átomos con partículas de luz (o fotones) y con partículas de electricidad (o electrones), se descubrió que están compuestos por dos componentes básicos: un pequeñísimo núcleo que se esconde en el interior, y una nube difusa de electrones que forma su cubierta exterior.
El estudio de la forma de esta nube exterior de electrones y de su interacción con los fotones y los electrones incidentes, permitió desarrollar un enfoque nuevo y revolucionario de la física: la Mecánica Cuántica. Como premio a este esfuerzo, las reglas de la Mecánica Cuántica explican completamente las leyes de la Química, haciéndolas consecuencia del modo en que los electrones se acomodan en la cubierta exterior de los átomos. Es decir que ahora comprendemos más cosas (la forma en que los electrones rodean al núcleo para formar los átomos y la manera en que los diferentes átomos se agrupan en moléculas) con menos reglas (las de la Mecánica Cuántica, la Química siendo sólo una consecuencia lógica de ellas).
Durante todo el siglo XX, la Física persistió con ese programa, aplicándolo a escalas cada vez más pequeñas. El siguiente escalón fue la investigación del núcleo atómico, bombardeándolo con electrones o protones, o colisionándolo con otros núcleos, para así romperlo en sus componentes elementales y comprender las reglas que rigen su interacción. Descubrimos que el mundo subnuclear es increíblemente rico, existiendo un enorme zoológico de partículas elementales descripto por lo que se conoce como Modelo Standard de las Interacciones Fundamentales. Durante este proceso, en más de una ocasión se infirió la existencia de un componente aún desconocido a una dada escala, a partir de una aparente inconsistencia de las reglas de interacción a esa escala.
Un posterior experimento, siempre del tipo de “romper e investigar los pedazos”, confirmó la existencia del componente propuesto. Por ejemplo, la existencia de “huecos” en la tabla original de Mendeleev, sugirió que debía existir un nuevo tipo de átomo con las propiedades necesarias para llenar cada hueco. La posterior investigación permitió aislar esos elementos confirmando tal hipótesis. Similar es la historia de los neutrinos, propuestos por Fermi como explicación a la aparente falla en la regla de “conservación de la energía” en una reacción conocida como “decaimiento beta”. También la de algunos quarks, cuya existencia se sabía necesaria antes de su observación, como modo de evitar una inconsistencia conocida como “anomalía” en el Modelo Standard.
Sin embargo, una de tales partículas hipotéticas ha resultado elusiva, no dejándose observar hasta el presente. Es el llamado “bosón de Higgs”, responsable de dar masa a las partículas intervinientes en la interacción nuclear, asegurando que las fuerzas involucradas sean de corto alcance. Una de las razones, tal vez la principal, para la construcción del LHC es la búsqueda del bosón de Higgs.
Pero hay muchas otras cosas interesantes que pueden suceder en el LHC. Por ejemplo, se ha propuesto que, además de las tres dimensiones que observamos forman el mundo (a saber: alto, ancho y espesor, o bien arriba-abajo, izquierda-derecha, adelante-atras), podrían existir otras dimensiones hasta ahora inobservadas. La pregunta inmediata de ¿por qué no las vemos? se puede responder diciendo que las direcciones adicionales son compactas y pequeñas. Una dirección compacta es una que, si caminamos sin volvernos a lo largo de ella, terminamos en el punto de partida. Para fijar ideas, pensemos en una hoja de papel extendida sobre la mesa. Esta hoja tiene sólo dos dimensiones, las cuales no son compactas. Una hormiga puesta sobre la hoja puede caminar en dos direcciones perpendiculares entre sí y, si no se vuelve, no retornará jamás a su punto de partida. Si ahora enrollamos la hoja de papel para formar un cilindro, una de las dimensiones, aquella que se extiende a lo largo del cilindro, sigue sin ser compacta, pero en cambio la otra, la que se extiende alrededor del cilindro, se vuelve compacta. Una hormiga que caminara en esa dirección llegaría al cabo de un tiempo, después de dar una vuelta completa alrededor del cilindro, a su punto de partida. Si el cilindro fuese muy pequeño, la hormiga podría no notar la existencia de esa dirección, ya que al caminar a lo largo de ella retorna casi inmediatamente al punto de partida.
Una explicación alternativa a por qué no vemos las dimensiones adicionales, es que puede existir algún tipo de fuerza que nos impida movernos en esas direcciones. Por ejemplo si tomamos la hoja de papel y en lugar de enrollarla la doblamos formando una zanja profunda, nuestra hormiga podría quedar atrapada en dicha zanja, siéndole imposible trepar por las paredes. Para ella, es sólo posible moverse a lo largo de la zanja y no en la dirección transversal, es decir que puede resultarle natural asumir que dicha dirección no existe. Existe la posibilidad de que algunas de las partículas resultantes de una colisión en el LHC simplemente desaparezcan. Si tal cosa sucede, es natural inferir que dichas partículas se movieron en alguna de las direcciones adicionales que no podemos ver. En otras palabras, el LHC puede ser la maquina que descubra las dimensiones extra.
Finalmente, una de las posibilidades más interesantes del LHC es la creación de microscópicos agujeros negros. Un agujero negro es un punto del espacio donde la materia está tan apretada que no puede salir. Para entender la idea, recodemos que todos los cuerpos se atraen entre sí por medio de la gravedad. Eso es también cierto para las partículas elementales. Por lo tanto, cuando una partícula se aleja de otra debe, al igual que un cohete que se aleja de la tierra, alcanzar una cierta “velocidad de escape” que le permita deshacerse del efecto atractivo del campo gravitatorio de la otra partícula. Cuanto más cerca estén las partículas, más intenso es el campo gravitatorio y más grande será la velocidad de escape necesaria.
En algún punto, para partículas muy cercanas, la velocidad de escape se hace mayor que la de la luz. Como nada puede moverse mas rápido que la luz, dichas partículas están definitivamente ligadas por la gravedad, no pudiendo jamás separarse. Mas aun, si alguna de dichas partículas emitiera fotones, ni siquiera ellos podrían escapar del campo gravitatorio de la partícula emisora. Por eso los agujeros negros son negros, ¡ni siquiera la luz puede escapar de ellos!
Una consecuencia natural de lo expuesto es que cualquier partícula adicional que sea atraída por el campo gravitatorio del agujero negro y se acerque demasiado, caerá en él y no podrá jamás salir. Es decir que los agujeros negros son objetos voraces: tragan todo lo que tienen alrededor.
Existe la posibilidad de que durante las colisiones producidas en el LHC, las partículas lleguen tan cerca unas de otras que produzcan un agujero negro. Esta es ciertamente una de las posibilidades más excitantes del LHC, y una de las razones por las que ha estado en los medios en estos días. Como con casi todo lo que dicen, los medios deforman, desinforman y, cuando pueden, mienten, respecto de los peligros de un evento de esa naturaleza. Dicen que un agujero negro comenzaría inmediatamente a tragar todo lo que haya a su alrededor (cierto) y que por lo tanto engulliría la ciudad de Ginebra, los Alpes suizos y finalmente la Tierra, en pocos segundos (falso).
Casi sin excepción dicen que para hacer tales afirmaciones se han asesorado por científicos (cierto tal vez en algún caso) que son expertos en el área (falso con seguridad en todos los casos). Mas allá de la intención sensacionalista de estos informes, también se esconde en ellos el ya omnipresente complejo de Frankenstein (el miedo del hombre a su propia creación), y el estereotipo post segunda guerra del científico amoral a quien solo le importa el conocimiento y no se preocupa por los efectos de sus descubrimientos. Un estereotipo bastante oscurantista, que propaga solapadamente la máxima “mejor no saber ciertas cosas”. Una imagen que es además irresponsable, porque pone el énfasis de la bomba atómica no en los políticos que la construyeron, el pueblo que los votó y los militares que la arrojaron, sino en los científicos cuyos descubrimientos la hicieron posible.
Pero ¿es realmente peligroso el LHC? La respuesta es: simple, total y absolutamente NO. Los agujeros negros tienen una propiedad adicional, que fue descubierta por Hawking en el trabajo que constituyó la base de su fama, y que los vuelve completamente inofensivos: ¡se evaporan! En efecto, los agujeros negros tienen una temperatura que depende inversamente de su tamaño. Un agujero negro gigante, como el que se supone que existe en el centro galáctico, está relativamente frío. En cambio un agujero negro pequeño, como los que podrían llegar a producirse en el LHC, está extremadamente caliente. Como todo objeto caliente, los agujeros negros emiten calor en forma de radiación, brillan como brilla una pieza de metal al ser calentada. En otras palabras ¡no son tan negros después de todo!
Junto con la radiación, el agujero negro pierde energía, y dado que la energía es lo mismo que la masa, el agujero negro pierde masa mientras brilla, haciéndose cada vez más pequeño. Los agujeros negros grandes, fríos, emiten muy poca radiación y por lo tanto pierden masa muy lentamente, mientras que a la vez atraen fuertemente y engullen todo lo que los rodea, por lo que ganan masa muy rápidamente. El efecto resultante de esta competencia es que los agujeros negros grandes crecen. En cambio los agujeros negros pequeños, calientes, emiten muchísima radiación por lo que pierden masa muy rápidamente, y mientras tanto atraen y engullen los objetos de su entorno muy lentamente, por lo que ganan muy poca masa. Es decir que el efecto resultante es que se evaporan muy rápidamente. De hecho en unos pocos microsegundos. En tan corto tiempo no son capaces de absorber ni siquiera el átomo más cercano.
En conclusión, aquéllos quienes nos dedicamos a la Física de las Interacciones Fundamentales vivimos el momento más estimulante de la última década. Todas las puertas están por abrirse, lo que sea que encontremos del otro lado será desconocido y maravilloso. Casi cualquier escenario posible de descubrimiento en el LHC es extremadamente interesante. La posibilidad más aburrida posible es que encontremos sólo el bosón de Higgs ¡y eso no tiene nada de aburrido! Significaría que el Modelo Standard que hemos desarrollado a lo largo de los últimos 30 años es esencialmente correcto. Pero es probable que encontremos además muchas nuevas partículas elementales, dimensiones extra y hasta efímeros agujeros negros. Incluso si contra todas las expectativas el bosón de Higgs no apareciera, las implicaciones de tal ausencia serían enormes y el proceso ulterior de reformulación del Modelo Standard sería de lo más estimulante. La cantidad de trabajo inminente recuerda la antigua maldición china “ojala vivas en tiempos interesantes”.