Hawking y el LHC, 100 dólares contra 6.000 millones de euros

Stephen Hawking lanzó ayer una de sus famosas apuestas. Esta vez apuesta 100 dólares a que no se encontrará la famosa partícula del bosón de Higgs. Es una apuesta insignificante sobre los resultados de un dispositivo que cuesta la friolera de 6.000 millones de euros, pero todo el mundo sabe que las consecuencias del experimento, tanto si se encuentra como si no se encuentra el famoso bosón, cambiarán la física. Si existe y tiene las propiedades predichas por el Modelo Estándar de Física de Partículas, el LHC lo tiene que encontrar, si no se descubre nos tendríamos que replantear toda la física de partículas.

Además de encontrar el bosón de Higgs hay una serie de posibles descubrimientos que pueden estar esperando en el túnel del LHC. Uno de ellos es toda una familia de partículas llamadas supersimétricas que duplica las ya conocidas. Una de esas partículas supersimétricas, el neutralino, tiene un atractivo teórico especial porque es el mejor candidato para constituir la misteriosa materia oscura. Otro de los posibles hallazgos podría ser el descubrimiento de nuevas dimensiones del espacio, sería posible que cada "punto" del espacio tenga sus propias dimensiones compactadas como predicen las teorías de cuerdas. Gracias a las energías implicadas en el LHC podremos "ver" la estructura espacial desde "mucho más cerca" y este hecho podría depararnos más de una sorpresa.

Sobre la posible formación de microagujeros negros, algo que en los últimos meses ha levantado toda una polémica en la red, en una entrevista que hoy publica el periódico El País,  el físico teórico español en el CERN Álvaro de Rújula indica:" Si hay dimensiones extras, puede que se logren formar en el LHC microagujeros negros, y no son nada peligrosos: con la misma convicción que los físicos sabemos que tirar una manzana no es tan peligroso como tirar una granada de mano, sabemos que los microagujeros negros son inofensivos".


Se habla mucho de lo que ha costado construir el LHC, pero los gobiernos de decenas de países no se han gastado miles de millones de euros para saber qué pasaba en el Universo una milmillonésima de segundo después del Big Bang(***). El interés del LHC es que el reproducir las condiciones extremas del Universo primordial nos puede ayudar a responder algunas de las preguntas sobre cuáles son las leyes fundamentales de la naturaleza para las que aún no tenemos respuesta. Cualquiera de esas respuestas pueden ser tan, aparentemente, anodinas como lo debió ser para la mayoría de los no entendidos en físicas el descubrimiento del cuanto de acción, llamado de Planck, hace más de 100 años. Sin embargo fue la base de la mecánica cuántica, gracias a la cual ahora estoy escribiendo este post en el ordenador y existe internet, los móviles, la televisión, nuestros automóviles modernos y todos los dispositivos electrónicos que, en general, nos permiten una vida mejor y que inundan nuestras casas, lugares de trabajo, hospitales o escuelas.

Gane o no gane la apuesta Stephen Hawking, el LHC cambiará nuestras vidas y la de nuestros hijos.

(***) (Apuntes científicos desde el MIT) La teoría actual del origen del Universo nos dice que todo empezó con lo que se suele llamar la Gran Explosión (el Big Bang en inglés). Este apelativo metafórico nos incita a pensar en un instante inicial muy “ruidoso”, una especie de fuegos artificiales, pero el Big Bang empezó en silencio, y sería más adecuado imaginarlo como una “explosión” en la que se crean el espacio y el tiempo. Si tratamos de entender ese instante con la teoría de la Relatividad General nos encontramos con una singularidad, un universo primigenio en el que la temperatura y densidad eran infinitas. Estas condiciones extremas son imposibles de imaginar, por lo que seguramente indican que nuestras teorías no son válidas para extrapolar hasta el mismo momento inicial.

A partir de ese momento el Universo se empezó a expandir rápidamente y a medida que crecía su tamaño se iba “enfriando”, o lo que es lo mismo, la energía de las partículas que contenía disminuía. Cuando sólo había transcurrido una milmillonésima de segundo después del Big Bang, el universo tenía una temperatura aproximadamente 100.000 veces superior a la del Sol y las partículas fundamentales que lo habitaban chocaban constantemente entre ellas con energías aproximadamente de 14 TeV. Estas condiciones son precisamente las que se quieren reproducir en el LHC. Al hacer colisionar partículas a 14 TeV, lo que queremos es entender qué sucedía en el Universo sólo una milmillonésima de segundo después del Big Bang.

El mecanismo de Higgs: la creación de la masa en el Universo.

“Los dioses crearon al mundo con alguna imperfección simétrica. Esto, con el objetivo de que los humanos no sintieran envidia de sus poderes”. Richard Feynmann (Premio Nobel de Física)


Conforme nos acercamos a comprender el mismo instante del Big Bang, crece nuestra excitación, nos da la sensación de que casi parece que tocamos el momento de la creación. Ese sentimiento es el que debe haber experimentado la persona que bautizó a la partícula llamada bosón de Higgs como partícula Dios, por ser la partícula cuántica asociada a un campo escalar llamado de Higgs, capaz de conferir masa al resto de las partículas y a la propia (podría haber recibido también el nombre de otros colegas como Brout, Engler o Kibble, como reconoce el propio Peter Ware Higgs).

En un estado inicial unificado y simétrico (las cuatro fuerzas constituían una sola fuerza unificada y simétrica) existirían unos campos asociados con partículas de interacción sin masa. La idea fundamental del mecanismo de Higgs consiste en introducir un nuevo campo escalar que ofrece la propiedad de no anularse en el vacío, pues anularlo costaría energía. El estado inicial simétrico sería similar a lo que ocurre en la figura, la base de una botella de vino. Si situamos en el punto superior de la base una bolita, nos encontraremos con una situación perfectamente simétrica pero inestable (campos sin masa). De forma espontánea, esta simetría tenderá a romperse en dirección de una situación final no simétrica pero con menor energía potencial, la bolita descansará en la parte más baja de la base (campos con partículas asociadas con masa).

Una simetría puede ser perfecta en el plano de las ecuaciones y resultar rota en el plano de las soluciones. Como decía Weinberg: «Aunque una teoría postule un alto grado de simetría, no es necesario que los estados de las partículas muestren la simetría. Nada me parece tan halagüeño en física como la idea de que una teoría puede tener un alto grado de simetría que se nos oculta en la vida ordinaria».


La teoría que unifica las interacciones electromagnéticas y débil se debe a Glashow, Salam y Weinberg que obtuvieron por ella el Premio Nobel de física de 1979. La dificultad esencial de esta teoría es que los bosones del estado inicial simétrico debían ser de masa nula (masa nula de los bosones de interacción origina una fuerza a gran distancia), mientras que se necesitan bosones intermedios (partículas que originan la fuerza) muy masivos para justificar la interacción débil (corto alcance) . El mecanismo de Higgs, permite resolver esa dificultad, mediante la ruptura espontánea de simetría hace masivos los bosones W y Z (interacción débil) y mantiene nula la masa del fotón (interacción electromagnética).

En la física de estado sólido encontramos algunos mecanismos similares. Cuando un metal se encuentra sometido a un campo magnético, y se le enfría hasta convertirlo en superconductor, las líneas del campo son expulsadas brutalmente del superconductor, por la formación de un campo escalar formado por pares de electrones (dos fermiones de espín ½ , o pares de Cooper) que constituyen bosones de espin 0. El campo magnético penetra en el semiconductor en una capa muy fina. El espesor de ésta corresponde a un alcance efectivo del campo magnético que se comporta así como un campo masivo. En las interacciones débiles, el vacío representa el papel del semiconductor, el campo de Higgs, el papel del campo de los pares de Cooper, y el campo de interacción débil, el campo magnético.



En noviembre de 2007 se pondrá en funcionamiento el mayor acelerador del mundo, el LHC (Large Hadron Collider) que investigará la razón de que exista la masa de las partículas y tratará de descubrir el bosón de Higgs. Se encuentre o no se encuentre esta partícula, significará un antes y un después en el conocimiento más íntimo de la materia. En la figura se observa el electroimán superconductor más grande que existe, el ATLAS. Forma parte del LHC, en el laboratorio internacional de física de alta energía CERN en Ginebra.