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El LHC se adentra en el universo desconocido

El mayor acelerador de partículas del mundo vuelve a funcionar al doble de potencia para cruzar una nueva frontera de la física

Vista lateral del experimento CMS, uno de los mayores del CERN. Ampliar foto
Vista lateral del experimento CMS, uno de los mayores del CERN.

Hace unos días, cerca de Cessy (Francia), una mujer paseaba con su perro ajena a lo que se cocía bajo sus pies. Era un entorno idílico. Campos verdes con nieve en las umbrías, granjas de vacas y los Alpes recortados en el horizonte. Mientras, a 100 metros bajo tierra, cientos de operarios, ingenieros y físicos hacían los últimos ajustes para encender la mayor máquina del mundo, capaz de reproducir lo que pasó en el universo poco después del Big Bang.

El Gran Colisionador de Hadrones, o LHC, en la frontera entre Francia y Suiza, volverá a funcionar a finales de mes, probablemente el 23 de marzo. Los físicos llaman a estas puestas en marcha runs (carreras en inglés). En la primera ya se consiguió todo un récord mundial con el descubrimiento del bosón de Higgs. Lo que depara esta segunda, que durará hasta 2018, no lo sabe nadie. Tras dos años de reparación y acondicionamiento el acelerador va a funcionar al doble de potencia y cruzará una frontera de la física nunca antes traspasada. Al otro lado puede haber partículas desconocidas cuyo descubrimiento convertiría al célebre bosón en un polvoriento trofeo de niñez.

Una hilera de 47 botellas vacías de champán, whisky y vodka recuerdan la fiesta del descubrimiento del bosón

Reyes Alemany es piloto del LHC. Esta física de partículas española trabaja en el centro de control del acelerador, en la parte francesa del laboratorio europeo de física de partículas CERN. Es una gran sala diáfana dividida de cuatro islas de ordenadores y monitores que supervisan los cuatro grandes aceleradores de la instalación. Desde aquí se controla cuándo y cuántos protones legan al anillo de 27 kilómetros del LHC y cuándo los dos hacesopuestos comenzarán a chocar produciendo nuevas partículas. En la isla de control del LHC, bajo las pantallas, una hilera de 47 botellas vacías de champán, whisky y vodka recuerdan la fiesta del descubrimiento del bosón.

Pisar el acelerador del LHC es una inmensa responsabilidad. “Sería imposible cargárselo apretando el botón equivocado, pero si no lo operas correctamente estás perdiendo nuevos higgs o peor, partículas desconocidas que podrían no aparecer más”, explica.

En 20 minutos, el CERN acelera protones hasta rozar la velocidad de la luz. Si los astronautas pudieran hacer lo mismo conocerían otros planetas habitables y posiblemente viajarían en el tiempo. Al chocar, los protones se desintegran dejando al descubierto quarks, leptones y el resto de partículas elementales. El bosón de Higgs era la última que faltaba para describir toda la materia. Dicho así parece un logro descomunal, pero esa materia, la que compone cada átomo del universo conocido, ya sea en la Tierra o en la estrella más lejana, supone solo el 5% del cosmos. El 95% restante está hecho de materia oscura y energía oscura, los dos grandes misterios del universo.

Vista interior de los imanes que componen el anillo de 27 kilómetros del LHC. Por su interior, en tubos de vacío, corren los dos haces opuestos de protones ampliar foto
Vista interior de los imanes que componen el anillo de 27 kilómetros del LHC. Por su interior, en tubos de vacío, corren los dos haces opuestos de protones

El LHC tiene tres grandes retos en esta segunda carrera. Uno es descubrir la supersimetría, que sería como “entrar en una nueva dimensión”, como dice María Chamizo, física del CMS, uno de los dos experimentos grandes del LHC. Un ascensor presurizado —previo paso por la cabina de reconocimiento de retina— lleva a la instalación. A 100 metros bajo tierra, metido en su caverna, el CMS es como un tambor de lavadora de cinco pisos de alto y 14.000 toneladas. En su centro chocan los protones y sus sensores captan las nuevas partículas.

La supersimetría, o SUSY, supone que cada partícula elemental conocida tiene una hermana supersimétrica desconocida. A cada higgs correspondería un higgsino, a cada neutrino su neutralino, etc. La interacción entre esas hermanas podría ser responsables de fenómenos que se observan en el universo y para los que no hay explicación. Por ejemplo, entre todas esas partículas supersimétricas estarían las que componen la materia oscura, el segundo gran objetivo del LHC. Esta cara oculta de la materia forma el 25% del universo. Nunca se ha observado, pero los astrónomos y cosmólogos creen que esta sustancia sustenta a las galaxias y los cúmulos de galaxias.

La posibilidad de encontrar ahora esas nuevas partículas no es “terriblemente convincente”, opina Frederic Teubert, físico del experimento LHCb, pero eso no quiere decir nada. “La ventaja que tenemos los físicos experimentales es que da igual lo que creas probable o razonable, nada sustituye a la evidencia experimental y por eso estoy impaciente por descubrir qué nos depara la naturaleza a estas energías que son ‘terra incognita”, reconoce. Las primeras colisiones estables de protones se esperan en los experimentos para el 18 de mayo y con ellas, posiblemente, la física desconocida.

El  CERN recibe ataques informáticos "todos los días", dice una de sus responsables

El tercer reto del LHC es más asequible: medir al detalle el bosón de Higgs. En estos dos años la máquina ha estudiado “unos 1.000 bosones”, pocos para conocerlo a fondo, explica Chamizo. En esta segunda ronda se planea obtener al menos el doble de datos que en la anterior “Esta vez el higgs dejará de ser la estrella, pero aún nos queda mucho por medir, entre otras cosas su anchura exacta”, explica José Enrique García, físico del otro experimento grande del LHC, el ATLAS.

Un detector como CMS hace 40 millones de fotos cada segundo. A eso hay que sumarle las de los otros dos experimentos que hay dentro del anillo de 27 kilómetros del LHC. Sólo una parte de los datos se acaban almacenando, pero aún así hace falta un gran cerebro informático para procesar y almacenar todo.

El cementerio de protones

Una bofetada de calor recibe al visitante en el Centro de Cálculo del CERN, situado en la parte suiza. Decenas de miles de ordenadores se agrupan en columnas y pasillos. Su zumbido obliga a gritar. “No hay nada igual en ninguna otra parte del mundo”, explica Maite Barroso, una de las jefas del centro. La capacidad de computación se ha duplicado para esta nueva ronda. En total hay 11.000 servidores y el equivalente a 100.000 ordenadores personales funcionando sin descanso.

En na novela superventas de Dan Brown Ángeles y demonios, una secta se cuela en el CERN para intentar destruir el Vaticano con antimateria. En el mundo real, el botín está aquí. “Recibimos ataques informáticos todos los días, no solo por la capacidad de computación, también por la visibilidad que daría poder secuestrar los servidores del CERN”, confiesa esta ingeniera de telecomunicaciones. Por ahora, dice, nadie lo ha conseguido. “Como mucho se cuelan por un agujero del Linux, igual afectan a 20 máquinas pero enseguida se detecta y se aísla el problema”, detalla.

La primera vez que se encendió el LHC, en 2008, hubo un accidente y la enorme energía generada fundió parte de sus imanes superconductores. Aunque muchas de las personas que estos días trabajan en la puesta a punto de la máquina mencionan el incidente con preocupación, José Miguel Jiménez, jefe de tecnología del CERN, se muestra seguro de que todo saldrá bien. Su trabajo actual se centra en diseñar los nuevos cables superconductores y los imanes que permitirán duplicar el número de colisiones en 2019. “El LHC es una máquina que permite muchos descubrimientos, pero es casi el pasado”, reconoce Jiménez. “Mientras, aquí estamos preparando ya el futuro”, añade.

La vida de un protón en el CERN es efímera. Como mucho dará vueltas al anillo durante un ciclo completo de 14 horas. Si para entonces no se ha desintegrado, será desviado contra un tubo de grafito, aluminio y cemento de unos siete metros: el cementerio de los protones del CERN. La energía eléctrica usada durante el ciclo vuelve a la red eléctrica francesa y suiza y posiblemente encienda la casa de esa señora que pasea con su perro por Cessy. Unas tres horas después, los pilotos del LHC inyectarán otra tanda de protones en la mayor máquina del mundo.

Muchas preguntas por responder

Antonio Pich

El descubrimiento del bosón de Higgs ha confirmado la existencia de un nuevo campo de fuerzas, de naturaleza distinta a los cuatro que ya conocíamos (electromagnético, fuerte o nuclear, débil y gravitatorio). El “campo de Higgs” impregna todo el espacio-tiempo, frenando el movimiento de las partículas que interactúan con él y generando así su masa. Las vibraciones de este campo son los bosones de Higgs.

El Higgs puede aportar respuestas a varios de los enigmas más candentes de la física. Los constituyentes elementales de la materia están replicados tres veces, y estas réplicas solo se diferencian entre sí por su masa, es decir, por su interacción con el campo de Higgs. Aunque ignoramos las razones de esta repetición, creemos que está relacionada con la sorprendente ausencia de antimateria en el Universo observable. Otro misterio por resolver es la naturaleza de la “materia oscura”, de la cual tenemos muchas evidencias astrofísicas. La materia conocida solo representa el 5% de la masa del Universo, mientras que un 21% parece corresponder a una sustancia distinta que no emite luz (el resto es “energía oscura”, algo mucho más misterioso y desconocido). Si la energía disponible es suficiente, el LHC podría producir materia oscura y permitirnos estudiar sus propiedades. Al tener masa, es posible que esta sustancia desconocida interaccione con el campo de Higgs, que actuaría como un portal al “mundo oscuro”.

La propia existencia del Higgs plantea nuevas preguntas. ¿Es único o hemos descubierto el primer miembro de una clase diferente de partículas? Muchos modelos introducen campos adicionales. Por ejemplo, las teorías supersimétricas predicen que las partículas elementales conocidas (incluyendo el Higgs) tienen parejas con distinto espín. El LHC puede confirmar o refutar su existencia. Otra posibilidad es que el bosón de Higgs esté compuesto por constituyentes todavía no descubiertos; un nivel de subestructura adicional que daría lugar a nuevas formas de materia.

El LHC empieza una emocionante investigación a energías nunca antes exploradas. Cruzaremos las fronteras actuales del conocimiento, en busca de respuestas a problemas aún no resueltos. Es probable que encontremos fenómenos inesperados, cuya naturaleza no alcanzamos a sospechar.

Antonio Pich catedrático de Física Teórica del IFIC y coordinador del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN)

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