Confiamos en SUSY: Lo que realmente busca el LHC

Entre todas las inauguraciones fallidas, hubo una especialmente espectacular. Entre gran pompa y ceremonia – por no hablar de los oscuros rumores sobre que el final del mundo se acercaba – el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el colisionador de partículas más potente del mundo, se conectaba en septiembre del año pasado. Nueve días más tarde un cortocircuito y una catastrófica filtración de helio líquido apagaban ignominiosamente la máquina.

Ahora la toma dos. Algún día futuro, si todo va según el plan, los rayos de protones empezarán a recorrer el anillo en las profundidades bajo el CERN, el hogar del LHC en las afueras de Ginebra en Suiza.

El Premio Nobel Steven Weinberg está preocupado. No es que piense que el LHC creará un agujero negro que se tragará el planeta, o que el reinicio terminará en una debacle técnica como el año pasado. No: en realidad está preocupado por que el LHC encuentre lo que algunos llaman la “partícula de Dios”, el popular y vergonzosamente grandioso apodo para el aún no detectado bosón de Higgs.

“Estoy aterrado”, dice. “Descubrir el Higgs sería una crisis”.

¿Por qué? Las pruebas para el Higgs serían la última piedra de un edificio que los físicos de partículas han estado construyendo desde hace medio siglo – la fenomenalmente exitosa teoría conocida simplemente como el Modelo Estándar. Describe todas las partículas conocidas, así como tres de las cuatro fuerzas que actúan sobre ellas: el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte.

También está manifiestamente incompleta. Sabemos a partir de lo que la teoría no explica que debe ser parte de algo mucho más grande. Por lo que si el LHC encuentra el Higgs y nada más que el Higgs, el Modelo Estándar estará arreglado. Pero entonces la física de partículas estará en un callejón sin salida, sin pistas sobre dónde ir luego.

De ahí los temores de Weinberg. No obstante, si los teóricos están en lo cierto, antes de encontrar el Higgs, el LHC verá el primer esbozo de algo mucho mayor: la gran y predominante teoría conocida como supresimetría. SUSY, como se la conoce cariñosamente, es una osada teoría que dupica el número de partículas necesarias para explicar el mundo. Y podría ser justo lo que los físicos de partículas necesitan para indicarles el camino a una nueva luz.

Pero, ¿qué hay mal en el modelo estándar? Primero de todo, hay algunos pecados obvios por omisión. No se dice nada en absoluto de la cuarta fuerza fundamental de la naturaleza, la gravedad, y también guarda silencio sobre la naturaleza de la materia oscura. La materia oscura no es un asunto trivial: si nuestra interpretación de ciertas observaciones astronómicas es correcta, este material supera en peso a la materia convencional del cosmos en más de 4 a 1.

Irónicamente, no obstante, el verdadero problema empieza con el Higgs. El Higgs viene a resolver un problema realmente masivo: el hecho de que los bloques básicos que forman la materia común (cosas tales como electrones y quarks, colectivamente conocidos como fermiones) y las partículas que portan fuerzas (colectivamente conocidos como bosones) tienen todas una propiedad que llamamos masa. Las teorías no podían encontrar un patrón para la masa de las partículas y no podían predecirlas; tenían que medirse en experimentos y ser añadidas a la teoría manualmente.

Estos “parámetros libres” eran vergonzosos cabos sueltos en las teorías que se tejían entre sí para finalmente formar lo que se convirtió en el Modelo Estándar. En 1964, Peter Higgs de la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido, y François Englert y Robert Brout de la Universidad Libre de Bruselas (ULB) en Bélgica llegaron independientemente a una forma de vincularlas.

Este mecanismo se vio como un campo cuántico que impregna todo el cosmos. Posteriomente llamado campo de Higgs, confiere masa a todas las partículas. La masa que adquiere una partícula elemental como un electrón o un quark depende de la fuerza de su interacción con el campo de Higgs, cuyos “cuantos” son bosones de Higgs.

Campos como éste son clave para la comprensión de Modelo Estándar dado que describen cómo las fuerzas nucleares débil y fuerte y electromagnética actúan sobre las partículas a través del intercambio de varios bosones – las partículas W y Z, gluones y fotones. Pero la teoría de Higgs, aunque elegante, llevaba un aguijón en su cola: ¿cuál es la masa del propio Higgs? Debería consistir en una masa central más la contribución de sus interacciones con otras partículas elementales. Cuando haces la suma de esas contribuciones, la masa del Higgs aumenta sin control.

Las pistas experimentales ya nos han sugerido que la masa del Higgs debe estar en algún punto entre 114 y 180 gigaelectrón-voltios – entre 120 y 190 veces la masa de un protón o un neutrón, y fácilmente el tipo de energía que puede alcanzar el LHC. La teoría, no obstante, llega a valores 17 o 18 órdenes de magnitud mayores – una catastrófica discrepancia conocida como “el problema jerárquico”. La única forma de hacer que encaje en el Modelo Estándar es ajustar ciertos parámetros con una precisión de 1 parte en 10³⁴, algo que los físicos encuentra poco natural y repugnante.

Tres en uno

El problema jerárquico no es el único defecto en el Modelo Estándar. Hay otro problema sobre cómo reunir todas las fuerzas. En el universo actual, las tres fuerzas tratadas por el Modelo Estándar tienen muy distintos alcances y fuerzas. A nivel subatómico, la fuerza fuerte es la más poderosa, la débil es la más débil y la fuerza electromagnética está entre ambas.

Hacia el final de la década de 1960,no obstante, Weinberg, entonces en la Universidad de Harvard, demostró junto a Abdus Salam y Sheldon Glashow que esto no había sido siempre así. En el tipo de energías predominantes en el joven universo, las fuerzas débil y electromagnética tenían la misma fuerza; de hecho, se unificaban. La expectativa era que si se extrapolaba lo suficientemente atrás hacia el Big Bang, la fuerza fuerte también sucumbiría, y se unificaría con la electromagnética y la débil en una única súper-fuerza.

En 1974 Weinberg y sus colegas Helen Quinn y Howard Georgi demostraron que el Modelo Estándar podía realmente hacer que sucediera – pero sólo aproximadamente. Al principio se vio como un gran éxito, pero esta reunificación no tan exacta empezó pronto a crear fallos en los físicos que trabajaban en las “grandes teorías unificadas” de las interacciones de la naturaleza.

Alrededor de esta época es cuando hace su aparición la supersimetría, debutando en el trabajo de los físicos soviéticos Yuri Golfand y Evgeny Likhtman que nunca tuvo repercusión en occidente. Se debió a Julius Wess de la Universidad de Karlsruhe en Alemania y Bruno Zumino de la Universidad de California en Berkeley, el llevar sus radicales prescripciones a un público más amplio unos años después.

Wess y Zumino estaban tratando de aplicar el principio simplificador favorito de la física, la simetría, al zoo de partículas subatómicas. Su objetivo era demostrar que la división del dominio de partículas en fermiones y bosones es el resultado de una pérdida de simetría que había en los inicios del universo.

De acuerdo con la supersimetría, cada fermión está emparejado con un bosón supersimétrico más masivo, y cada bosón con un súper-hermano fermiónico. Por ejemplo, el electrón tiene el selectrón (un bosón) como su compañero supersimétrico, con el fotón emparejado con el fotino (un fermión). En esencia, las partículas que conocemos son meramente son los renacuajos de una camada el doble de grande.

La clave para la teoría es que en la sopa de alta energía de los inicios del universo, las partículas y sus supercompañeros eran indinstinguibles. Cada par coexistía como entidades individuales sin masa. Conforme el universo se expandía y enfriaba, no obstante, esta supersimetría se rompió. Compañeros y supercompañeros tomaron caminos distintos, convirtiéndose en partículas individuales con masas distintas entre sí.

La supersimetría era una idea llamativa, pero también una aparentemente poco recomendable aparte de su atractivo para los fetichistas de la simetría. Hasta que, aquí aparece, se aplica al problema de jerarquía. Resultó que la supersimetría podía solventar todas esas molestas contribuciones procedentes de las interacciones del Higgs con partículas elementales, las que provocan que la masa se descontrole. Simplemente se cancelan por las contribuciones de sus compañeros supersimétricos. “La supersimetría hace que la cancelación sea muy natural”, dice Nathan Seiberg de la Universidad de Princeton.

Eso no era todo. En 1981 Georgi, junto con Savas Dimopoulos de la Universidad de Stanford, rehizo los cálculos de reunificación de fuerzas que había realizado con Weinberg y Quinn, pero con la supersimetría añadida a la mezcla. Encontró que las curvas que representaban la fuerza de las tres fuerzas podía unirse con asombrosa precisión en los inicios del universo. “Si tienes dos curvas, no es sorprendente que se corten en algún punto”, dice Weinberg. “Pero si tienes tres curvan que se cortan en el mismo punto, entonces no es tan trivial”.

Este segundo golpe a favor de la supersimetría fue suficiente para convertir a muchos físicos en verdaderos creyentes. Pero fue cuando empezaron a estudiar algunas de las cuestiones generadas por la nueva teoría cuando las cosas se pusieron realmente interesantes.

Una apremiante cuestión concernía al paradero actual de las partículas supersimétricas. Electrones, fotones y todo lo demás están a nuestro alrededor, pero no hay señal de selectrones y fotinos, ni en la naturaleza ni en ningún experimento de acelerador de alta energía hasta el momento. De existir tales partículas, deben ser extremadamente masivas, requiriendo enormes cantidades de energía para fabricarlas.

Unas partículas tan grandes no durarían mucho dado que decaerían en un residuos de partículas supersimétricas más ligeras y estables, conocidos como neutralinos. Aún masivos, los neutralinos no tienen carga eléctrica e interactúan con la materia normal de forma extremadamente más timorata por medio de la fuerza nuclear débil. No es sorprendente que haya escapado a la detección hasta el momento.

Cuando los físicos calcularon cuánto residuo de neutralino debería haber, quedaron desconcertados. Era una cantidad descomunal – mucha más que toda la materia normal del universo.

¿Empieza a sonarte familiar? Sí, así es: parecía que los neutralinos cumplían todos los requisitos para la materia oscura que las observaciones astronómicas nos persuadían de que debe dominar el cosmos. Un tercer golpe para la supersimetría.

Cada una de las tres cuestiones que la supersimetría se propone resolver – el problema jerárquico, el problema de la reunificación y el problema de la materia oscura – podría tener su propia respuesta única. Pero los físicos siempre se inclinan más a favor de las teorías de propósito general si pueden encontrar una. “Es verdaderamente reafirmante que haya una idea que resuelva estas tres cosas lógicamente independientes”, dice Seiberg.

El ámbito de la supersimetría no acaba aquí. Como Seiberg y su colega de Princeton Edward Witten han demostrado, la teoría también puede explicar por qué los quarks nunca se han visto de forma aislada, sino siempre en grupos unidos por la fuerza fuerte en partículas mayores como protones y neutrones. En el modelo estándar no existe ninguna indicación matemática de por qué debería ser esto así; con supersimetría, eso se desprende de forma natural de las ecuaciones. De forma similar, las matemáticas derivadas de la supersimetría pueden decirnos de cuántas formas puedes plegar una superficie de cuatro dimensiones, un problema de otra forma intratable en topología.

Todo esto parece indicar una verdad fundamental encerrada dentro de la teoría. “Cuando algo tiene aplicaciones más allá de aquello para lo que ha sido diseñado, entonces dices, ‘bueno, esto va más al fondo’”, dice Seiberg. “La belleza de la supersimetría en realmente abrumadora”.

Por desgracia, la belleza matemática no es una promesa suficiente por sí misma. También necesitas pruebas experimentales. “Es vergonzoso”, dice Michael Dine de la Universidad de California en Santa Cruz. “Hay un montón de papel gastado en algo que se sostiene en estos hilos”.

Podrían encontrarse pruebas circunstanciales de supersimetría en distintos experimentos diseñados para encontrar y caracterizar la materia oscura en rayos cósmicos que pasan a través de la Tierra. Estos incluyen al experimento de Búsqueda Criogénica de Materia Oscura dentro de la Mina Soudan en el norte de Minnesota y el experimento Xenon bajo la montaña Gran Sasso en Italia central. Sondas espaciales como el satélite Fermi de la NASA también escrutan la Vía Láctea buscando las señales que se espera que se produzcan cuando dos neutralinos se encuentran y aniquilan.

La mejor prueba vendría, no obstante, si pudiésemos producir neutralinos directamente a través de colisiones en un acelerador. El problema es que no estamos completamente seguros de cómo de potente debería ser ese acelerador. La masa de los supercompañeros depende con precisión de cuándo se rompió la supersimetría cuando se enfrió el universo y las partículas estándar se separaron de sus supercompañeras. Distintas versiones de la teoría no han logrado una sincronización consistente. Algunas variantes incluso sugieren que ciertos supercompañeros son lo suficientemente ligeros para haber sido generados en aceleradores como el Gran Colisionador de Electrón-Positrón – el prodecesor del LHC en el CERN – o el colisionador Tevatron en Batavia, Illinois. Aunque ninguno de los aceleradores ha encontrado nada.

La razón de que los físicos estén tan entusiasmados con el LHC, sin embargo, es que el tipo de supersimetría que mejor resuelve el problema jerárquico se hará visible a las mayores energías que explorará el LHC. De forma similar, si los neutralinos tienen la masa adecuada para formar la materia oscura, deberían producirse en gran número en el LHC.

Desde el accidente durante la puesta en marcha del acelerador el año pasado, el CERN ha adoptado una aproximación más tranquila en el reinicio del LHC. Durante el primer año impactará dos rayos de protones con una energía total de 7 teraelectrón-voltios (TeV), la mitad de la energía para la que está diseñado. Incluso eso es un paso adelante importante respecto a los 1,96 TeV que el Tevatron, el anterior poseedor del récord, podía lograr. “Si las partículas supersimétricas más pesadas pesan menos de un teraelectrón-voltio, entonces podrían ser generadas bastante copiosamente en las primeras etapas de ejecución del LHC”, dice el teórico del CERN John Ellis.

De ser así, los eventos después de que se reinicie el acelerador podrían ser paradójicos. Los protones que impacten en el LHC estarán compuestos de partículas hechas de quarks y gluones, y producen unos restos extremadamente confusos. Podría llevar mucho tiempo encontrar al Higgs entre toda esa basura, dice Ellis.

Cualquier partícula supersimétrica, por otra parte, decaerá en apenas 10^-16 segundos en un montón de partículas secundarias, culminando en una cascada de neutralinos. Debido a que los neutralinos apenas interaccionan con otras partículas, escaparán a los detectores del LHC. Paradójicamente, esto puede hacerlos fáciles de detectar dado que la energía y momento que portan parecerá que se desvanece. “Esto, en principio, es algo bastante distintivo”, dice Ellis.

Por lo que si existen pruebas de la supersimetría en la forma que esperan la mayor parte de teóricos, podrían ser descubiertas mucho antes de la partícula de Higgs, cuyos problemas propone resolver SUSY. Cualquier visión de algo que parezca un neutralino serían muy buenas noticias. Como poco sería el mejor avistamiento hasta la fecha de una partícula de materia oscura. Mejor aún, nos diría que la naturaleza es fundamentalmente supersimétrica.

Hay una sensación de entusiasmo palpable en lo que podría encontrar el LHC en los próximos años. “Estaré encantado si es la supersimetría”, dice Seiberg. “Pero también si es alguna otra cosa. Necesitamos más pistas sobre la naturaleza. El LHC nos dará estas pistas”.

• Inicio del Gran Colisionador de Hadrones (LHC)
• EEUU estudia que plantas salvar de esta 6º extincion masiva en la tierra
• Una de las razones
• Definiciones
• La posta sobre el Extasis o MDMA (parte I)

Más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción gastanto miles de millones de dolares.

Si bien hace tiempo que se esta poniendo a punto la maquina (enfriando sus imanes superconductores, y pruebas electricas), recien hoy se hicieron circular por los 27km del acelerador, los primeros haces de protones. En estos dias tambien se haran circular haces en sentido contrario, pero sin hacerlos colisionar aún.

Las primeras colisiones estan previstas para el 21 de actubre de este año. Y apartir de ahi recien se podran hacer las colisiones para llegar su maximo: 14 Tev de energia, y asi lograr reproducir los primeros milisegundos despues del Big Bang y determinar la validez (o no) del modelo que actualmente mas se ajusta a una descripcion completa del universo: el Modelo Estandar

Primer has de Protones

Los primeros protones acelerados chocando contra el colimador a una velocidad del 99.9998 % de la luz.

Las principales preguntas que va a intentar responder este acelerador de particulas son:

• Qué es la masa (se sabe cómo medirla pero no se sabe qué es realmente)
• El origen de la masa de las partículas (en particular, si existe el bosón de Higgs)
• El origen de la masa de los bariones
• Cuántas son las partículas totales del átomo
• Por qué tienen las partículas elementales diferentes masas (es decir, si interactúan las partículas con un campo de Higgs)
• El 95% de la masa del universo no está hecho de la materia que se conoce y se espera saber qué es la materia oscura
• La existencia o no de las partículas supersimétricas
• Si hay dimensiones extras, tal como predicen varios modelos inspirados por la Teoría de cuerdas, y, en caso afirmativo, por qué no se han podido percibir
• Si hay más violaciones de simetría entre la materia y la antimateria

La importancia de este hecho historico:

Voy a pegar un articulo publicado en el blog “Apuntes cientificos desde el MIT” que me parecio muy explicativo y me gustaria que quede aqui plasmado como resumen:

El Large Hadron Collider, por Gonzalo Merino

En el Laboratorio Europeo de Partículas (CERN ), cerca de Ginebra, está a punto de ponerse en marcha el acelerador de partículas más potente del mundo: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC , por sus siglas en inglés). Según el reciente anuncio hecho por el laboratorio, el 10 de Septiembre será la fecha en la que se harán circular los primeros haces de partículas. La cuenta atrás ha comenzado.

La construcción del LHC ha sido una tarea titánica en la que han trabajado miles de físicos e ingenieros de más de 80 países durante 20 años y en la que se han invertido del orden de 7.000 millones de Euros.

La idea de este experimento parece en principio sencilla. Se trata de acelerar protones hasta que alcancen una energía muy alta, para entonces hacerlos chocar entre si y observar qué sucede. Visto así, no parece demasiado complicado.

Los protones se acelerarán hasta que alcancen un 99,999999% de la velocidad de la luz. Esto, en la jerga de los físicos de partículas, equivale a una energía de 7 TeV (7 mil millones de electronvoltios ). La energía total en cada colisión entre dos protones por tanto será de 14 TeV. Esta es la energía más alta jamás alcanzada por un colisionador de partículas construido por el hombre. Siete veces mayor que la del colisionador más potente actualmente operativo: el Tevatron en Fermilab , cerca de Chicago.

Para dar una idea intuitiva de esta escala de energía, a veces se explica que 1 TeV es aproximadamente la energía cinética que tiene un mosquito volando. Pero no creo que esta comparación ayude demasiado a hacerse una idea de lo que pasa en el interior del LHC. Para entender lo extraordinario de esta máquina hay que notar que en el LHC toda esta energía estará concentrada en un espacio extremadamente pequeño, ya que el tamaño de un protón es un trillón (un 1 seguido de 18 ceros) de veces menor que un mosquito. En definitiva, que la comparación es en si misma un reto a nuestra capacidad de abstracción: hay que tratar de estrujar un mosquito 18 órdenes de magnitud, sin que deje de volar, claro.

Para tratar de imaginar lo que sucede en el LHC creo que es mejor pensar en el origen del Universo. Al fin y al cabo, los físicos que trabajamos allí decimos muchas veces que eso es justamente para lo que sirve el LHC: para explorar los primeros instantes del Universo.

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.

No deja de ser curioso que para “ver” el origen del Universo lo tengamos que hacer construyendo una máquina tan complicada en un túnel subterráneo en Ginebra. Pero es que conocer el pasado del Universo nunca ha sido tarea fácil. Sabrá tal vez el lector que cuando miramos hacia el espacio estamos viendo de hecho cómo era el Universo en el pasado, ya que la velocidad de la luz es finita y ésta tarda un cierto tiempo en llegar desde las estrellas hasta la Tierra. La otra forma que tenemos por tanto de explorar el origen del Universo es mirar objetos muy distantes en el espacio. Pero veremos que usando esta técnica nos acabaremos encontrado una barrera infranqueable que impedirá que nos acerquemos al Big Bang todo lo que nos gustaría. El LHC nos permitirá cruzar esa barrera y mostrarnos un Universo mucho más joven que el que jamás podremos ver mirando al espacio.

La luz más lejana que podemos detectar es la conocida como Radiación de Fondo de Microondas. Por este motivo cuando el satélite COBE primero y más recientemente WMAP analizaron con detalle esta radiación, los titulares de los periódicos dijeron que se había tomado una fotografía de “la infancia del Universo”. Esta Radiación de Fondo nos llega directamente desde un momento especial en la historia del Universo, cuando éste sólo tenía unos 380.000 años de edad. En aquel momento la temperatura era de aproximadamente 3.000 grados Kelvin, lo suficientemente baja como para que protones y electrones se combinasen para formar átomos neutros de hidrógeno. Como consecuencia de esto los fotones, hasta ese momento atrapados en la interacción con las partículas cargadas, pudieron recorrer el espacio libremente, sin obstáculos. Se dice que en este instante el Universo se volvió transparente. Antes de que esto sucediera, era opaco a la radiación electromagnética. Es por eso que la imagen directa más antigua que podemos obtener del Universo es la que nos muestra la Radiación de Fondo de Microondas.

Así pues podemos pensar en el LHC como una máquina del tiempo, que nos permitirá explorar el Universo tal y como era hace miles de millones de años, fracciones de segundo después del Big Bang, mucho antes de que se volviera transparente a la luz y nos permitiese fotografiarlo directamente con instrumentos como WMAP.

Construir una máquina que reproduce las condiciones del Universo cuando éste sólo tenía una milmillonésima de segundo de vida es una actividad interesante en si misma. Pero los gobiernos de decenas de países no se han gastado miles de millones de Euros sólo para ver cuánto eran capaces de acercarse al Big Bang. El interés del LHC es que, al reproducir esas 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.

Actualmente sabemos que toda la materia que conocemos está formada por 12 piezas básicas que llamamos “partículas elementales” y que hay cuatro fuerzas distintas que describen las interacciones entre éstas: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitatoria. Podemos interpretar estas interacciones entre partículas de materia como el intercambio de otro tipo de partículas: las partículas portadoras de la fuerza. Así, cada una de las fuerzas fundamentales tiene su partícula portadora correspondiente. El portador de la fuerza nuclear fuerte es el “gluón”, el de la fuerza electromagnética es el “fotón” y las partículas W y Z son las responsables de la fuerza nuclear débil. Finalmente, aunque todavía no ha sido observado, el “gravitón” debería ser la partícula portadora de la fuerza gravitatoria.

Las partículas de materia y las de fuerza pertenecen a dos grupos bien diferenciados: las 12 que forman la materia son “fermiones” y las cuatro que son transmisoras de la fuerza son “bosones”. La diferencia entre ambos se encuentra en una propiedad cuántica de las partículas llamada espín, que se asocia al momento intrínseco de rotación de las mismas. Los fermiones (la materia) tienen espín fraccional mientras que los bosones (los portadores de las fuerzas) tienen espín entero.

Además de conocer cuáles son las partículas fundamentales, disponemos también de una teoría físico-matemática que describe de forma extremadamente precisa como interaccionan estas partículas mediante tres de las cuatro fuerzas: el Modelo Estándar . La fuerza gravitatoria, curiosamente la que estamos más acostumbrados a sentir en nuestro día a día, se resiste aún a ser descrita de forma unificada junto a las otras tres en una teoría global.

El Modelo Estándar nos proporciona la ecuación que, si dispusiéramos de suficiente capacidad de cálculo, nos debería permitir calcular todo lo que sucede en el Universo. Para que las matemáticas de esta teoría funcionen, sin embargo, es necesario que exista una nueva partícula que todavía no ha sido descubierta: el bosón de Higgs. Este nuevo elemento es el responsable de que todas las partículas tengan masa. Dicho de otro modo, con el bosón de Higgs la masa de cada partícula deja de ser un parámetro fundamental (puesto “a mano”) de la teoría y pasa a ser simplemente una medida de la intensidad de su interacción con los bosones de Higgs que la rodean y que llenan todo el espacio.

Si este bosón de Higgs existe, tal y como predice el Modelo Estándar, sabemos que ha de aparecer en el LHC. La teoría no nos dice exactamente dónde lo encontraremos, pero lo que sí nos dice de forma indirecta es que tiene que estar dentro del rango de energías que el LHC va a explorar. Por lo tanto, si el Higgs no aparece nos veremos obligados a aceptar que el Modelo Estándar, la teoría que tan bien ha funcionado en los últimos 40 años, es incorrecta y ha de mejorarse. Aun así esto no sería un fracaso, puesto que si sucede dispondremos de la máquina adecuada para guiarnos en la tarea de encontrar una nueva teoría: el LHC.

Más allá de descubrir el bosón de Higgs y completar así la pieza que parece faltar en nuestras ecuaciones, también esperamos que el LHC nos ayude a responder otras preguntas fundamentales para las que tampoco tenemos respuesta.

Para encontrar estas preguntas no hace falta que retrocedamos en el tiempo 13.700 millones de años. El Universo, tal y como lo vemos hoy en día con nuestros telescopios, muestra un aspecto totalmente misterioso para el que todavía no tenemos explicación. Varias observaciones astronómicas y cosmológicas indican que la materia que somos capaces de observar (planetas, estrellas, galaxias …) representa tan sólo un 5% de todo el contenido del Universo. El 95% restante está formado por alguna substancia desconocida para nosotros, e invisible.

De hecho sabemos que no hay una sino dos sustancias misteriosas. La primera de ellas formaría aproximadamente el 25% del Universo y es la que llamamos “Materia Oscura”. Esta es materia que no interacciona con la fuerza electromagnética pero que tiene masa y por tanto nos permite detectar su efecto gravitatorio de atracción respecto a la materia visible. La segunda de estas substancias invisibles es la más misteriosa de las dos. Seguramente es por eso que han decidido bautizarla como “Energía Oscura”, al más puro estilo Star Wars. Sabemos que esta Energía Oscura supone el 70% de toda la energía del Universo.

Una hipótesis que se plantean algunos científicos es que la “Materia Oscura” esté formada por un nuevo tipo de partículas llamadas “supersimétricas”. Según la teoría de la Supersimetría, cada una de las partículas que hoy conocemos tendría una “compañera” supersimétrica idéntica pero con espín distinto: los súper-compañeros de los fermiones serian bosones, y viceversa. Uno de los atractivos de esta teoría es que, de forma natural, predice que las fuerzas electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte tenían la misma intensidad en algún momento en el pasado del Universo. De este modo, abre la puerta a la idea de que dichas fuerzas sean tan sólo diferentes manifestaciones de la que fue originalmente una única fuerza. Por otro lado, esta teoría predice la existencia de toda una colección de nuevas partículas (para cada partícula conocida, una nueva súper-compañera) que aún no han sido detectadas. El LHC podría ser la máquina que encuentre algunas de estas nuevas partículas supersimétricas y alguna de ellas, como el neutralino , podría reunir las condiciones necesarias para ser un candidato a formar la enorme cantidad de Materia Oscura que sabemos que contiene el Universo.

En cuanto a la Energía Oscura, prácticamente lo único que sabemos es que está distribuida de forma homogénea y genera una fuerza repulsiva que tiende a acelerar la expansión del Universo. Esta energía se suele asociar al vacío, sugiriéndonos que “el vacío” es muy distinto de “la nada”. Si tratásemos de hacer el vacío completo en un espacio, eliminando de él toda la materia y toda la radiación, ahora sabemos que al final nuestro vacío siempre contendría una cierta densidad de Energía Oscura intrínseca: vacío repeliendo al vacío.
No está claro hasta qué punto el LHC podrá dilucidar el misterio de la Energía Oscura. Tal vez exista alguna relación entre esta extraña forma de energía del vacío y el bosón de Higgs, o la supersimetría, y si es así seguramente el LHC nos ayudará a entenderla.

Hasta aquí hemos hablado de algunas de las cosas que se esperan descubrir con el LHC, pero casi no hemos explicado qué aspecto tiene la máquina. Este acelerador es un anillo formado por imanes superconductores situado en un túnel de 27 kilómetros de perímetro y enterrado 100 metros bajo tierra. La temperatura a la que operan los imanes es tan sólo de 1.9 grados Kelvin. Por lo tanto, el anillo del LHC estará más frío que el espacio exterior. Por este anillo se harán circular haces de protones en sentidos opuestos que se harán cruzar en cuatro puntos, generándose así mil millones de colisiones protón-protón por segundo. En estos puntos se han construido cuatro gigantescos detectores de partículas que servirán para registrar con gran precisión los productos de estas colisiones: ATLAS , CMS , LHCb y ALICE .

ATLAS por ejemplo es el mayor detector de partículas jamás construido, es tan grande como un edificio de cinco plantas. CMS es más compacto pero es el más pesado, con sus 12.500 Toneladas pesa casi el doble que la Torre Eiffel. Hay multitud de detalles técnicos en cada una de estas máquinas que las hacen apasionantes. La exploración de algunos de ellos la podemos dejar para otro post en el futuro.

Gonzalo Merino
Coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España
Port d’Informació Científica, Bellaterra (Barcelona)

http://lhcatpic.blogspot.com

Algunas Imagenes del Gran colisionador de hadrones

CMS

View of the CMS (Compact Muon Solenoid) experiment Tracker Outer Barrel (TOB) in the cleaning room. The CMS is one of two general-purpose LHC experiments designed to explore the physics of the Terascale, the energy region where physicists believe they will find answers to the central questions at the heart of 21st-century particle physics. (Maximilien Brice, © CERN)

ATLAS

Assembly and installation of the ATLAS Hadronic endcap Liquid Argon Calorimeter. The ATLAS detector contains a series of ever-larger concentric cylinders around the central interaction point where the LHC’s proton beams collide. (Roy Langstaff, © CERN)

LHC tunel

Checks are performed on the alignment of the magnets in the LHC tunnel. It is vital that each magnet is placed exactly where it has been designed so that the path of the beam is precisely controlled. (Maximilien Brice, © CERN)

ATLAS

View of the ATLAS detector during July 2007 (Claudia Marcelloni, © CERN)

Una Galeria de fotos muy buenas aqui.

Y aca unas panoramicas en 360º increibles.

• Resumen sobre Cosmologia Moderna
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• La posta sobre el Extasis o MDMA (parte I)