El acelerador estrecha el cerco al ¡Eureka!
Los científicos europeos creen que en 2012 podrán descifrar, al fin, la masa de las partículas más pequeñas del microcosmos - Están analizando billones de datos ya registrados
El gran acelerador de partículas (LHC) de Ginebra está funcionando al pleno rendimiento previsto (para su primera fase) y sus mayores detectores han acumulado ya los datos de más de 70 billones de choques de protones. El complejo científico, diseñado para averiguar cómo se hace la materia a la escala más pequeña jamás alcanzada, está operando sin parar desde marzo de 2010 y miles de físicos llevan meses analizando los datos de los experimentos con total dedicación e intensidad. ¿Han descubierto ya algo realmente importante? "La física de partículas exige paciencia porque los procesos nuevos son poco corrientes y, para encontrarlos, hace falta tomar muchos datos", responde Rolf Heuer, director del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), junto a Ginebra.
Los experimentos han empezado ya a explorar territorio ignoto
"La física de partículas exige paciencia", dice el director del CERN
Hay resultados, "pero es prematuro abrir el champán", dice un experto
El LHC está funcionando ahora solo a la mitad de su energía prevista
Indicios, rumores de buenos resultados y expectativas, además de mucho entusiasmo y algún jarro de agua fría, se suceden estos meses en torno al LHC, en el CERN y en todo el mundo, dado el alcance internacional del proyecto. Pero de la nueva partícula elemental, el llamado bosón de Higgs, que sería clave en las teorías del universo subatómico y que tanto se aireó en la inauguración del acelerador, no hay un rastro definitivo.
"En menos de un año y medio, el LHC ha hecho un barrido completo de toda la física de partículas que conocemos, ha entrado en territorio ignoto y ha empezado a explorarlo", explica Sergio Bertolucci, director científico del CERN. "Los próximos meses van a ser cruciales".
La verdad es que este verano se ha creado bastante expectación sobre un posible avance significativo que tal vez podría desembocar en un hallazgo importante a finales de año. Pero los resultados de los experimentos del LHC presentados en una conferencia celebrada a finales de agosto de Bombay (India), han desinflado un poco las esperanzas: al acumular y analizar más datos se han desvanecido los indicios que apuntaban hacia la identificación de Higgs, la partícula que ayudaría a explicar el origen de la masa de las demás partículas, algo que la teoría actual del microcosmos no logra hacer.
"Creo que para finales de 2012 el LHC sería capaz de cerrar la cuestión acerca de la existencia o no del bosón de Higgs", dice Fabiola Gianotti, líder de Atlas, uno de los grandes detectores del acelerador. "No sabemos si puede ser antes, depende de la masa de esa partícula (si es que existe)", añade. De hecho, ya se ha avanzado mucho en la cacería y se va estrechando el cerco a la hipotética presa, ya que se empiezan a descartar valores de la masa en los que seguramente no está.
"Es emocionante ver a miles de investigadores trabajando juntos con único objetivo, literalmente desvelar algunos secretos del universo", comenta Heuer a EL PAÍS, acerca del ambiente que ahora se vice en el CERN. "Estos científicos compiten de manera muy constructiva y colaborando al mismo tiempo".
Conviene repasar cómo funciona el LHC -que costó alrededor de 3.000 millones de euros- y qué experimentos se hacen para descubrir las nuevas partículas. Si un átomo se entiende vulgarmente como el no va más de la pequeñez, hay que tener en cuenta que la física de partícula se mueve a escala mucho menor. Si un átomo tuviera el tamaño de una catedral (su corteza exterior de electrones), el núcleo atómico sería una mosca volando dentro, recuerda una habitual comparación de escala que hacen los científicos. Y los físicos del CERN (y de otros laboratorios en diferentes países) están mirando no dentro del núcleo/mosca, sino dentro del mismo, en decir sus constituyentes fundamentales.
El LHC acelera hasta casi la velocidad de la luz protones, es decir, átomos de hidrógeno a los que se han arrancado los electrones. Billones de esas partículas -aceleradas y obligadas a viajar en haces finísimos por el tubo de alto vacío de 27 kilómetros de acelerador- se hacen chocar en el centro de los gigantescos detectores que registran las consecuencias de las colisiones, es decir, las nuevas partículas que se crean.
"Hoy en día, para ver un mero en el Mediterráneo, hay que bucear bastante profundo, y para ver un mero de mayor peso, más profundo aún", dice el físico teórico Álvaro de Rújula. "Algo parecido pasa si uno busca partículas elementales de masa más y más elevada: para crearlas en colisiones de otras partículas, como protones, son necesarios aceleradores (de protones) de mayor y mayor energía. En el caso de las partículas -no de los meros- se trata de la ley natural y bien conocida E= mc2 [la archifamosa ecuación de Einstein que relaciona masa y energía]. La energía de una colisión frontal de protones puede transmutarse en la masa de partículas creadas en ella y cuanto mayor es la energía de las colisiones, mayor es el rango de masas de partículas hipotéticas que uno puede explorar, creándolas y detectándolas".
En el LHC se producen millones de esas colisiones en las que se crean partículas, y muchas de ellas se desintegran casi inmediatamente formando otras. Por sus trayectorias y propiedades registradas en los detectores, los físicos las identifican y pueden deducir qué leyes las rigen. Pero la mayoría son terreno muy trillado ya, nada nuevo, y solo muy excepcionalmente puede surgir una nueva partícula, por lo que los expertos necesitan cantidades ingentes de datos para cazar algo y, más aún, para estar seguros de lo que han cazado. De ahí que a casi nadie extrañe la tardanza en surgir los descubrimientos en el LHC. "Las partículas que están ahora en lo alto de la lista de las más buscadas son las de Higgs y las llamadas supersimétricas", continúa De Rújula. "El papel de Higgs es generar la masa de todas las demás partículas que tienen masa".
El Higgs es un mecanismo complicado de explicar para profanos, pero los físicos hacen intentos -algunos eficaces- para hacerse entender. Uno de esos intentos lo recoge el también físico teórico del CERN, Gian Francesco Giudice, en su libro A Zeptospace Odyssey. La idea es que existe algo por ahora desconocido que se llama campo de Higgs y que las partículas que tienen masa la adquieren precisamente al interaccionar con ese algo. Giudice recurre al símil del agua en la que nadan delfines y se bañan hipopótamos: para las partículas que no tienen masa, como el fotón, el agua es totalmente transparente, como si no existiera; las que tienen masa, pero poca, se deslizan fácilmente sin apenas interactuar con el líquido, como los defines; y las más masivas, como los hipopótamos, se mueven sumergidos con con dificultad. "La masa de una partícula elemental es una medida de la fuerza de su interacción con el campo de Higgs", señala Guidice. Y el campo de Higgs se expresa, en determinadas condiciones, como una partícula nueva, el famoso bosón. ¿Por qué podría surgir precisamente en el LHC?
"La teoría que predice la existencia del Higgs (el modelo estándar) deja de ser autoconsistente si su masa es superior a un cierto valor máximo, y los protones que el LHC acelera y hace colisionar tienen energía más que suficiente para producir partículas de Higgs incluso si tienen la masa máxima. Por eso, si el LHC no lo encuentra es que la hipótesis de su existencia es falsa", explica De Rújula.
Los dos grandes experimentos del LHC, el Atlas y el CMS, podrían tener ya algún indicio. Pero "es demasiado prematuro abrir el champán porque puede tratarse de fluctuaciones de los datos, aunque el ritmo al que el LHC y los experimentos están aumentando sus datos, permitirá extraer conclusiones firmes pronto", comenta Bertolucci.
"Como ya hemos excluido en los experimentos una región extensa de posible masa del Higgs, ahora podemos concentrar nuestros esfuerzos en las regiones de masa donde estamos viendo intrigantes fluctuaciones", añade Guido Tonelli, líder de CMS, advirtiendo de que esas señales todavía podrían ser algo así como ruido de fondo del experimento.
Además del Higgs, muchas esperanzas se han puesto en las partículas supersimétricas (o SUSY), predichas por nuevas teorías que engloban el modelo estándar, llevándolo mucho más lejos, pero aún pendientes de resultados experimentales que indiquen si son reales o meras especulaciones. Incluso algunos pensaban que las SUSY podrían aparecer pronto en el LHC, pero, por ahora no hay ni rastro de ellas. "Hay gente que se ha deprimido porque se están excluyendo las SUSY, pero debería ser todo lo contrario: estamos confirmando que la naturaleza es mucho más sutil que las cosas obvias", dice Maria Spiropulu, física de Caltech (EE UU) y del CERN.
"El papel de las partículas supersimétricas no es fácil de explicar", apunta De Rújula. "Digamos que su existencia contribuiría a la elegancia de las leyes de la naturaleza (que siempre la tienen, quién sabe por qué). Pero para estas partículas no existe un intervalo estricto de masas en el que necesariamente tengan que existir [a diferencia del caso de Higgs]. Asi que si el LHC no las encuentra, caben dos posibilidades: que no existan... o que necesitemos para descubrirlas un colisionador de mayor energía que el LHC".
"Las predicciones de un próximo descubrimiento de las SUSY en los datos del LHC se basaban en modelos muy simples y los estudios hasta ahora han excluido algunos de esos modelos", apunta Tonelli. "Pero el trabajo sigue y hay mucho espacio para sorpresas". Su colega Gianotti también deja la puerta abierta: "No hay que olvidar que el LHC alcanzará su potencia completa de descubrimiento cuando alcance la energía de 14 TeV [el doble de la actual, prevista para 2014] y hayamos registrado cien veces más datos que los que tenemos ahora".
Por supuesto, lo que todos los físicos esperan con auténtico interés es lo imprevisto, que puede ser el mayor descubrimiento.
El dilema de Shakespeare y la partícula de Higgs
Tanto se ha dicho que el LHC se ha hecho para descubrir la partícula de Higgs que, si se encuentra, su representación por ordenador estará en todas las portadas de los medios de comunicación, desbordará Internet y dará a los políticos de los países que financian el acelerador la ocasión de hacer grandiosas declaraciones. Si no aparece, muchos proclamarán el fracaso del colosal experimento.
Pero no de esta manera funciona la ciencia. En lo que a la partícula de Higgs se refiere, el objetivo del LHC es comprobar si existe o no esa partícula predicha por la teoría actual. Si no existe, los científicos tendrán que corregirla, o rechazarla y proponer otra, pero, en cualquier caso, los resultados del LHC, con Higgs o sin él, hablarán de la naturaleza, de cómo está hecho el universo.
"El campo de Higgs sería un descubrimiento emocionante: habríamos hallado el último pilar del modelo estándar, es decir, cómo obtienen su masa las partículas elementales", dice Rolf Heuer, director del CERN. Pero también "excluirlo sería un descubrimiento interesante", añade, "porque significaría que el modelo estándar, que ha resistido tan bien durante décadas a tantos experimentos de precisión, ¡sería incorrecto! Sería el primer agujero real en esta teoría y tendríamos el reto en el LHC de encontrar otro mecanismo que hiciera el trabajo del Higgs".
En términos llanos lo explica el físico teórico Álvaro de Rújula: "Supongamos que uno busca en casa un determinado paraguas y no lo encuentra; no tiene nada de raro porque puede haberlo perdido quién sabe dónde. Pero si lo que uno no encuentra es la ropa interior que se puso ayer, las posibles interpretaciones son muchísimo más interesantes". De Rújula aclara que "la casa es el LHC, el paraguas es la supersimetría y la pieza de ropa interior, la partícula de Higgs. Habría que ser muy optimista para tomarse en serio las concretas teorías supersimétricas actuales... que implicarían que el paraguas estuviese en casa y fuese fácil encontrarlo. El campo de Higgs, para que cumpla su papel, tiene que estar en la casa y el LHC tiene que encontrarlo. Si no se consigue, la alternativa es fascinante: ¿Qué fue de esa ropa interior o que es lo que la sustituye?".
También Fabiola Gianotti, líder del experimento Atlas, habla del no descubrimiento del Higgs: "Sería tan importante y emocionante -tal vez más- como encontrarlo. Si no existe, tiene que haber alguna otra partícula o mecanismo que juegue su papel y eso supondría una revolución de nuestro pensamiento actual".
Los físicos saben dónde buscar, están estrechando el cerco con el LHC y el director del CERN resume: "Confío en que hacia finales de 2012 tendremos respuesta al dilema de Shakespeare para la partícula del Higgs: ser o no ser".
