El colisionador de hadrones es el experimento más sofisticado que hayamos diseñado jamás. Y entre sus objetivos se encuentra la búsqueda de la esquiva y extraña materia oscura. Pero, ¿cómo se hace?

¿Cómo se busca materia oscura en el universo? ¿Y qué tiene que ver esto con acelerar partículas a toda velocidad en una máquina que mide kilómetros? El Large Hadron Collider es probablemente la máquina más sofisticada que ha creado el ser humano en toda su historia.

Un experimento tan gigantesco puede dividirse en otros experimentos que forman el conjunto. Entre ellos se encuentra el CMS, o Solenoide compacto de Muones, uno de los dos detectores de partículas de propósito general del Gran Colisionador de Hadrones. Este detector tiene una forma cilíndrica, con más de veinte metros de largo por dieciséis de ancho. Y pesa nada menos que 12.500 toneladas. ¿Cómo se pone a punto tremendo armatoste? “La exigencia es que un cacharro que mide veintiún metros de altura esté alineado con 200 micras de precisión. Se puede hacer con láseres, pero algunos lo calibran con unas partículas que ‘llueven’ del cielo llamadas muones”.

“Usando muones, con técnicas matemáticas avanzadas, puedes decir con precisión dónde están los detectores”

Uno de los temas más apasionantes en los que los cientídicos están envuelto es enla búsqueda de una de las sustancias más extrañas y misteriosas del universo: la materia oscura. “De momento la única manera de detectarla es a través de sus fenómenos gravitatorios”. Con estas palabras, los físicos nos explican que no es posible, por el momento, detectar directamente la materia oscura. ¿A qué se debe? “La materia oscura sí que interactúa gravitacionalmente, como la materia ordinaria, pero no interacciona ni electromagnéticamente ni mediante fuerzas nucleares ni nada por el estilo”, afirman. “La llamamos oscura, pero en realidad no es oscura. Es transparente”.

    Los detectores de materia oscura que se encuentran en el SNOLAB están conformados por una caja

              Dicen que todas las galaxias están rodeadas de materia oscura pero…. ¿dónde está?

Hasta el momento todos los esfuerzos por hallar la partícula que conforma la materias oscura… ¡Han fracasado! No han aparecido las partículas súper-simétricas que dicen la podría conformar.

Los científicos han calculado que la presencia de esa llamada materia oscura abarca una cuarta parte del universo, pero nadie ha sido capaz de observar y describir su naturaleza.  Los investigadores han diseñado tres aproximaciones diferentes para encontrar esas partículas, que es el último desafío de la física: con detectores bajo tierra, telescopios o aceleradores.

El rema de la “materia oscura” está llevando hacia ese proyecto grandes medios económicos, materiales y de personas, ya que, la física no soporta el hecho de que sólo el 4% de la materia del Universo nos sea conocida, y, habiendo múltiples estudios del movimiento de las galaxias, se ha comprobado que se mueven a mayor velocidad de la que deberían hacerlo si sólo existiera la materia que podemos ver, la Bariónica, la que emite luz y conforma las estrellas, las galaxias y todos los objetos materiales que podemos ver. Han deducido que existe otra clase de materia que no emite radiación, que es transparente, y que sí emite Gravedad… ¡Y, como locos, se han lanzado a la caza de tan esquiva materia?

¡Claro que, no se sabe si finalmente descubrirán que no existe! El misterio del movimiento de las galaxias podría estar en otra parte.

Todos aquellos objetos brillantes que nosotros y los astrónomos podemos ver están compuestos de materia. Sabemos que toda la materia atrae otra materia, y esta fuerza de atracción se llama gravedad. La fuerza gravitacional de la Tierra es lo que nos mantiene sobre nuestro planeta, ya que nosotros también estamos compuestos de materia. Los atletas que saltan con garrocha, los ascensores, los aviones y los cohetes deben trabajar arduamente para superar la fuerza de la gravedad. Esa misma fuerza que te sujeta a ti y a mí a la superficie de la Tierra también mantiene en sus órbitas a las naves espaciales que están en órbita alrededor de la Tierra, e incluso a la Luna. La gravedad del Sol mantiene a la Tierra y a todos los demás planetas, cometas y asteroides de nuestro Sistema Solar en sus órbitas correspondientes alrededor del Sol.

Los científicos comprenden exactamente cómo se comportan los objetos cuando son atraídos por la gravedad. Tienen fórmulas matemáticas para calcular las órbitas y el movimiento de los objetos que se están atrayendo entre sí. De esta manera pueden enviar una nave espacial para encontrarse con un cometa en particular en un momento específico, o predecir exactamente cuándo Marte estará más cerca a la Tierra.

Ahora cuando los astrónomos observan una galaxia cuidadosamente, pueden medir con qué rapidez se están moviendo las estrellas que ella contiene. Los movimientos de las estrellas son el resultado de las fuerzas gravitacionales provenientes de toda la demás materia de la galaxia. Pero éste es el problema fundamental: Cuando los astrónomos hacen la suma de toda la materia correspondiente a todas las estrellas y gases y polvo visible usando diferentes tipos de telescopios, el total no alcanza para explicar los movimientos que ellos observan. ¡Las estrellas se están moviendo a mucha más rapidez de lo que deberían hacerlo! En otras palabras, toda la materia que podemos ver no alcanza para producir la gravedad que está atrayendo las cosas. Este problema aparece una y otra vez, casi en cualquier lugar que observemos en el Universo. No sólo las estrellas en las galaxias se mueven a mayor velocidad que la esperada, sino que también lo hacen las galaxias dentro de grupos de galaxias. En todos los casos, debe haber otra cosa ahí, algo que no podemos ver, algo oscuro.

Esto podría parecer muy misterioso, pero no es difícil de imaginar. Tú sabes que las personas no pueden flotar por el aire, de modo que si vieras a un hombre haciendo eso, sabrías inmediatamente que deben haber alambres que lo están sujetando, incluso si no los puedes ver.

El nombre que los científicos le han dado al material que les falta es materia oscura. Podemos ver la materia brillante, como las estrellas, pero sabemos que hay algún otro tipo de materia, debido a la manera en que ésta influye sobre la materia brillante. El fondo oscuro del espacio que tendemos a ignorar mientras disfrutamos de las hermosas vistas del cielo oscuro en realidad no está tan vacío como pudieras creer. Aunque parezca sorprendente, hay más de 50 veces más de materia oscura que de materia brillante en el Universo.

                                              ¿De qué podría estar hecha la “materia oscura” ?

“En astrofísica y cosmología física, se denomina materia oscura a un tipo de materia que corresponde al 80% de lamateria del universo, y que no es energía oscura, materiabariónica (materia ordinaria) ni neutrinos. Su nombre hace referencia a que no emite ningún tipo de radiación electromagnética (como la luz).”

¿Pero de qué está compuesta exactamente la materia oscura? Los agujeros negros y algunos objetos demasiado pequeños para ser estrellas (por lo cual no producen luz propia) forman parte de ella. Pero todo eso puede sumar a menos de la quinta parte de la cantidad total de materia oscura que debe existir ahí afuera. Creemos que la mayor parte de la materia negra está compuesta de partículas nuevas más pequeñas que los átomos que son diferentes de cualquier otra cosa que han detectado y estudiado los científicos. Parece que la esencia misma de la mayor parte de la materia del Universo es diferente de lo que estamos compuestos tú y yo y la Tierra y el Sol.

“La primera persona en proporcionar pruebas y deducir la existencia del fenómeno que se ha llamado “materia oscura” fue el astrofísico suizo Fritz Zwicky, del Instituto Tecnológico de California (Caltech), en 1933.⁷​

Aplicó el teorema de virial al cúmulo de galaxias Coma y obtuvo pruebas de masa no visible. Zwicky estimó la masa total del cúmulo basándose en los movimientos de las galaxias cercanas a su borde. Cuando comparó esta masa estimada con la estimación del número de galaxias y con el brillo total del cúmulo, encontró que había unas 400 veces más masa de la esperada. La gravedad de las galaxias visibles en el cúmulo era muy poca para tal velocidad orbital, por lo que se necesita mucha más. Esto se conoce como el “problema de la masa desaparecida”. Basándose en estas conclusiones, Zwicky dedujo que tendría que haber alguna forma de “materia no visible” que proporcionaría suficiente masa y gravedad constituyendo todo el cúmulo.”

LO cierto amigos, es que han pasado cerca de cien años desde que, por primera vez, alguien nos hablara de la posible existencia de la “materia oscura”, y, hasta el momento, a pesar de los muchos medios empleados para ello… ¡Sigue desaparecida!

Veremos si en el año venidero nuestros ingenios la pueden “cazar”

emilio silvera

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ENTREVISTA AL

Premio Nobel de Física en 1979

Sheldon L. Glashow:

 “No veo razón alguna para creer en Dios”

                        Sheldon L. Glashow, en la sede de la Fundación Ramón Areces en Madrid.

Resulta imperial con su metro noventa largo y la insignia del Premio Nobel en la solapa de la chaqueta. Pero sus pequeños ojos vivarachos muestran, tras unas gafas de colores, la perspicaz curiosidad de un niño que no paraba de leer obras de ciencia ficción y que Sheldon L. Glashow aún no ha perdido a sus 83 años. Es uno de los científicos clave para entender el Modelo Estándar de la Física, el marco conceptual sobre el que se ha construido la civilización actual y que nos permite entender el Universo. Pero aún hay grandes misterios por resolver en el Cosmos. Glashow visitó ayer Madrid para impartir la conferencia: La física de partículas y la cosmología,  en la Fundación Ramón Areces con la colaboración de Ciencia Viva y la Academia de Europa.

Hace 100 años de la Relatividad General y todavía seguimos hablando de ella. ¿Habrá algún día físicos de la talla de Einstein?

Tenemos científicos muy competentes hoy en día. Incluso algunos que son muy populares o grandes estrellas, como Stephen Hawking. Pero, sinceramente, no creo que estén en la misma división que Einstein en términos de logros científicos. ¿Tendremos un nuevo Einstein? No lo sé. No se trata sólo de saber qué es la materia oscura o qué es la energía oscura. Hay otras preguntas más fundamentales como por qué hay materia oscura o por qué hay energía oscura en el Universo.

¿Necesitamos un nuevo Albert Einstein?

No sé lo que necesitamos… ¡Experimentos! Hay un gran número de experimentos que tienen que llevarse a cabo y la financiación es muy escasa. Pero, no sé muy bien cuál sería el papel de una figura así hoy en día, qué grandes campos hay que unificar. Einstein identificó una gran contradicción. Por un lado estaba la idea de Galileo del principio de relatividad y por el otro estaba el electromagnetismo descubierto por Maxwell. Estas dos teorías parecían ser inconsistentes la una con la otra y eso es lo que forzó a Einstein a desarrollar su teoría.

¿Qué le convirtió en físico?

Muchas cosas. La primera, que cuando daba clases en el colegio tenía un poco de sobrepeso y no era muy bueno en los deportes. Siempre era el último en ser elegido para formar equipos de béisbol (Se ríe). Así que me dedicaba a leer obras de ciencia ficción y a través de ella empecé a interesarme de verdad por la ciencia. Yo era niño en la Segunda Guerra Mundial y mis dos hermanos estuvieron en Alemania combatiendo contra los nazis. Entonces me empecé a interesar también por los aviones, en principio sólo por identificar cómo eran las aeronaves de combate alemanes o japoneses por si venían a por nosotros, pero después me empecé a interesar en cómo y por qué vuelan los aviones y en la física que hay detrás del lanzamiento de bombas para que la explosión de la propia bomba no termine por acabar con el avión si el vuelo es demasiado bajo. Cuando se lanzaron las bombas atómicas en el mes de agosto de 1945, no supuso una gran sorpresa para mí, porque ya había leído sobre eso en las novelas de ciencia ficción y ya tenía alguna idea de cómo funcionaba la física nuclear. Aprendí muchas cosas por mí mismo antes de ser científico.

¿De dónde proviene la denominación de la partícula de Dios para el bosón de Higgs?

Fue el nombre que le dio el editor del libro de León Lederman que lleva ese título, pero la obra no es tan mala como su nombre. Él lo aceptó porque el editor insistió.

Entiendo que no está muy de acuerdo con esa denominación.

No me gusta en absoluto, ni siquiera al propio Leon Lederman le gustaba. Él no era un creyente, digo fue porque sufre un Alzheimer terrible, pero no creía en Dios para nada.

¿La ciencia tiene que ser antagonista de la religión?

No, la gente puede creer en lo que quiera. Algunos buenos científicos son creyentes y practican la religión de forma seria y eso no les afecta a su trabajo. Pero yo no veo razón alguna para creer en esas cosas. Creo que la religión en general ha tenido un impacto muy negativo para la Humanidad. Seguro que está usted familiarizado con los crímenes del cristianismo en el pasado, bueno esto sigue sucediendo hoy en día con medidas de algunas facciones de la Iglesia católica. Pero afecta también a otras religiones, no hay más que mirar a las controversias que afronta el Islam entre chiíes y suníes en tiempo real hoy en día.

¿Cuál es el mayor reto al que se enfrenta la física actual?

                  Aunque nuestras actividades tiene su parte de culpa, la mayor parte recae en el Sol

Si me permite modificar la pregunta y ampliarlo a los retos de la ciencia moderna, diría que el problema número uno es el cambio climático. Es un problema científico, pero también es político, legal… un problema universal. Si queremos responder otras preguntas sobre la física -algunas de las que hemos estado hablando tardaron 50 años en ser resueltas-, no tenemos tiempo suficiente, no tenemos 50 años antes de que Miami o Nueva York se inunden si no actuamos. Si continuamos haciendo lo que estamos haciendo hoy en día, será con toda seguridad el final de la civilización dentro de los próximos 100 años.

¿Qué le parece el acuerdo alcanzado en París sobre el cambio climático?

Es totalmente insuficiente, tendría que haber sido un compromiso mucho mayor, especialmente de los países más industrializados, los que más contaminan pero, el dinero les ciega.

¿El LHC nos ha dado el bosón de Higgs y nada más, aparte de infinidad de resultados negativos.Quizá esta segunda fase que acaba de comenzar… nos de algo más sustancioso?

Sí, quizá en esta fase. Tengo la esperanza de que se obtenga algo. Pero estoy disgustado con el fracaso de la supersimetría. Hace predicciones muy explícitas sobre la naturaleza de la materia oscura que no existen. Ha sido un fracaso. Pero la supersimetría se ha convertido en una especie de religión entre los físicos en Europa. Sólo hay malas noticias.

Así que, de nuevo, quizá necesitemos un nuevo Einstein…

Bueno, quizá sí lo necesitemos.

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