Primero situemonos:
El ser humano desde sus origenes, ha
estado intrigado por la constitución
íntima de la materia. Desde los griegos
se venía especulando con la existencia
de átomos como bloques de
constitución de la materia al nivel más
elemental. No vamos a hablar aqui
sobre Dalton, Thomson y demás
modelos atómicos, aunque es una
historia ciertamente excitante. Lo que
sabemos a día de hoy, más o menos es
lo siguiente:
• La materia está compuesta
fundamentalmente por moléculas.
• Las moléculas son agrupaciones de
átomos que se unen entre sí por obra
y gracia de la mecanica cuántica a
través de la interacción
electromagnética.
• Los átomos no son más que
pequeños granos conformados por un
nucle de protones y neutrones, y
electrones orbitando a dicho nucleo
(orbitando por decir algo porque en
realidad se trata de un concepto mas
complejo denominado orbital).
Por el momento los electrones son
partículas elementales, lo que quiere
decir que no ha habido forma de ver si
tienen estructura interna. Pero los
protones y los neutrones si tienen
estructura y están conformados por
uniones de partículas más pequeñas
denominadas quarks.
No vamos a comentar las obras y
milagros de tales partículas, pero seria
interesante reflexionar sobre lo
siguiente: ¿Cómo se puede mirar
dentro de una partícula? ¿Cómo
aprendemos de las mismas si son tan
pequeñas?
Pues aquí es donde viene toda la
historia. Para “ver” dentro de una
partícula solo hay que seguir a Ernst
Rutherford que fué el que nos dio la
clave. Lo que tenemos que hacer es
lanzar partículas con mucha energía y
destrozar literalmente las partículas
que queremos ver para que “vomiten”
lo que llevan dentro.
Ese es el fundamento de los
aceleradores de partículas. Un
acelerador toma ventaja de que
tenemos partículas cargadas. Las
partículas cargadas sienten el campo
electromagnético, así que con
combinaciones de campos eléctricos y
magnéticos podemos acelerarlas. Pero
necesitamos energías muy altas… muy
muy altas, así que hay que buscar un
buen circuito donde acelerar las
partículas.
Las opciones no son muchas, o bien
hacemos un tubo lineal donde
acelerarlas, y entonces tiene que ser
muy muy largo. O bien, nos las
ingeniamos para tener un tubo circular
y así poder ir dadonle impulso y
aceleración en el tubo hasta que
decidamos lanzarlas contra el blanco.
De hecho lo que se hace es acelerar el
blanco y el proyectil hasta la energía
deseada y luego los metemos en el
mismo tubo donde colisionan.
Así que el LHC es un acelerador de
partículas, para que tengan la energía
necesaria con objeto de ir desvelando
los entresijos de la materia a escalas
cada vez más pequeñas.
¿Por qué es esto interesante para la
Fisica?
Con el advenimiento de la mecánica
cuántica la estructura de la materia
empezó a cobrar sentido. Por primera
vez teníamos una teoría que explicaba
la constitución atómica, la estabilidad
de la materia, la tabla periódica, el
enlace químico, etc. Pero no quedó ahí
la cosa, Paul A.M. Dirac junto a otros
tuvo a bien unificar la cuántica con la
relatividad especial y con esto la cosa
se volvió increiblemente interesante.
Para empezar se predijo la existencia
de la antimateria, y luego se llegó a la
teoría cuántica de campos, la cual es
adecuada para explicar las
interacciones que actúan a nivel
nuclear, la interacción débil y la fuerte
y además el electromagnetismo. Vamos
un pasote.
Lo que quedó claro es que energía y
materia están relacionadas, ya sabeis la
ecuación de Einstein, así que a mayor
energía hay mayor probabilidad, según
la teoría cuántica, de encontrar
partículas más pesadas que a nuestro
nivel energético cotidiano no vemos.
Así que los físicos empezaron a
estudiar estas cosas. Y a hacer
experimentos para contrastar las
predicciones teóricas. Y pasó lo que
tenía que pasar, en un determinado
momento se encontraron partículas
que parecía electrones pero más
pesados (los leptones, como el muón
o el tauón) en los rayos cósmicos y
otro tipo de partículas que eran como
protones y neutrones pero con
caprichosas características. El problema
con estas partículas, y lo bueno
también, es que no viven mucho
tiempo. Se desintegran en otras
partículas, esto es porque estas
partículas son más pesadas (tienen
más energía) y por lo tanto tienden a
un estado de menor energía y acaban
por desintegrarse en partículas más
livianas. Todo esto se puede explicar
con la teoría cuántica de campos, y el
modelo que explica todas estas
partículas, todas ellas compuestas de
quarks y leptones se llama Modelo
Estándar.
Pero claro, el modelo estándar
empieza a escupir predicciones y a
presentar problemas. Por citar solo un
ejemplo:
Predicción: Las interacciones se dan
por el intercambio de unas partículas
mensajeras denominadas bosones.
a) el electromagnetismo viene mediado
por los fotones. Y fotones tenemos por
todos los sitios.
b) la interacción débil viene mediada
por bosones Z que es neutro, y W que
puede ser postivo o negativo.
c) la interacción fuerte viene mediada
por bosones denominados gluones
(hay ocho de estas partículas
teóricamente).
Pues bien, el caso es que había que
comprobar la existencia del Z y el W, y
por supuesto de los gluones. Y para
ese fin se construyo el LEP que era el
acelerador anterior del CERN. Y se
encontraron…. fué algo increible,
porque la teoría funcionaba a la
perfección. También se vieron los
quarks de una forma más nítida y
entendimos mejor como se comportan
estos bichos.
Pero resulta que para encontrar tales
partículas hay que tener mucha
energía, y si queremos seguir viendo
más cosas hay que tener aún mucha
más.
Problema: Dicho modelo no entiende
de masas, dicho de otro modo, según
el modelo las partículas no deberían
de tener masa. Eso es chungo, porque
la tienen y porque la podemos medir,
así que hay que explicar por qué las
cosas tienen masa.
Y aquí entra el invitado estrella, el
señor Peter Higgs propone un modelo
que da masa a las partículas del
modelo estándar. Pero en esta teoría,
que se formula según las reglas de la
teoría cuántica de campos,
encontramos que deberían de existir
una partícula que llamamos bosón de
Higgs.
¿Y cómo ver esa partícula? Pues hay
que provocar colisiones mucho más
energéticas así que hay que emplear
un acelerador más grande (de más
potencia) y así que cerraron LEP y
construyeron LHC.
Bien, si has llegado hasta aquí
entonces te mereces que te diga lo que
significan esas siglas:
LEP = Large Electron-Positron = Gran
colisionador de electrones y
positrones. Lo que hacía este aparato
era acelerar electrones y positrones (el
positrón es un antielectrón por tanto
tiene la misma masa y carga opuesta) y
hacerlos colisionar.
LHC = Large Hadron Colider = Gran
colisionador de hadrones, los
hadrones son las partículas formadas
por quarks que sienten la interacción
fuerte. En LHC se hacen colisonar
protones a muy alta energía. Un
protón tiene una masa 2000 veces
superior al electrón (positrón) por
tanto acelerarlos a la misma velocidad
implica más energía. Y recordemos que
en un protón hay 3 quarks, así que en
realidad en el LHC se dan colisiones de
6 partículas.
Por tanto en el LHC veremos la
estructura de la materia a niveles muy
muy básicos.
¿Cuáles son los objetivos
fundamentales del LHC?
a) Encontrar el boson de Higgs y
confirmar si hemos entendido
teóricamente por qué las partículas
tienen masa.
b) Encontrar la supersimetría. Para que
el mecanismo propuesto por Higgs
funcione se ha de dar la existencia de
otras partículas que serían versiones
más pesadas de las que vemos ahora,
a estas se denominan s-partículas. Por
ejemplo, un electrón tendría un
compañero supersimétrico
denominado s-electrón. Eso tampoco
lo vemos a nuestro alrededor así que
tendremos que encontrarlos en
energías más altas.
c) Dimensiones extra: Esta es una
propuesta que es posible sobre la
base de la física conocida. Pero hasta
la fecha no las hemos visto. Hay
propuestas teóricas de que si uno va
más allá de la energía de LEP (energía
electrodébil para más señas) uno verá
señales de la existencia de otras
dimensiones. Una que fué muy famosa
fué la aparición de microagujeros
negros, que no, no destruiran la Tierra,
pero eso ya es otra historia.
d) Plasma de quarks-gluon: Esto es un
“estado de agregación” que podrían
presentar los quarks junto a los
mediadores de la interacción débil que
no ha sido visto pero que sería muy
interesante de comprobar.
Todo esto no sólo es interesante desde
el punto de vista de entender la
estructura de la materia, también lo es
para entender la evolución de nuestro
Universo.
Nuestro universo en el pasado estaba
más caliente y por tanto era más
energético, así que todas estás
partículas y cosas extrañas tuvieron
que estar presentes en algún momento
en nuestro universo. Y eso ha dejado
señales a nivel cosmológico. Así que,
para comprender la Cosmología
hemos de comprender muy bien la
estructura de la materia.
¿Y a mí para qué me sirve?
Esa es una pregunta genial, porque a
simple vista esto es un parece un
empacho mental de los físicos sin
rep