Algún día, lejano aún en el Tiempo, nuestro Sol, podría verse con alguna de éstas formas

Esta galería muestra cuatro nebulosas planetarias desde el primer estudio sistemático de tales objetos en la vecindad solar hecho por el Observatorio de Rayos X Chandra. Las nebulosas planetarias que aparecen aquí son NGC 6543 — también conocida como Ojo de Gato — NGC 7662, NGC 7009 y NGC 6826. En cada caso, la emisión de rayos X del Chandra está representada por el color púrpura y la óptica del Telescopio Espacial Hubble está coloreado en rojo, verde y azul.

Verdaderamente, el Universo no dejará nunca de asombrarnos con sus maravillas que, cuando son estudiadas a fondo, son mucho más de lo que en un principio, una simple imagen, por muy bonita que sea, nos pueda decir.

emilio silvera

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¡La Física! Lo que busca la física fundamental es reducir las leyes de la naturaleza a una teoría final sencilla que lo explique todo. El físico y premio Nobel Steven Weinberg señala que las reglas fundamentales son lo más satisfactorio (al menos para él). Las leyes básicas de Isaac Newton, que predicen el comportamiento de los planetas, son más satisfactorias, por ejemplo, que un almanaque en el que se indique la posición de todos los planetas en cada momento. Weinberg nos dice que la Física no puede explicarlo todo, matizando que sólo puede explicar los sucesos relacionándolos con otros sucesos y con las reglas existentes.

En relación al Universo, los cosmólogos también echan mano de conjeturas que les salve la cara, es decir, que disimule su gran ignorancia, y, se inventaron la “materia oscura” para explicar lo que para ellos, era inexplicable, es decir, el movimiento de las estrellas y el por qué se alejan las galaxias las unas de las otras y qué fuerza es la que las atrae y, no encontraron nada mejor que la materia oscura.

Por ejemplo, las órbitas de los planetas son el resultado de unas reglas, pero las distancias de los planetas al Sol son accidentales, y no son consecuencia de ley fundamental alguna. Claro que, también las leyes podrían ser fruto de casualidades. Lo que sí es cierto es que los físicos están más interesados por descubrir las reglas que por los sucesos que dichas reglas determinan, y más por los hechos que son independientes del tiempo; por ejemplo, les interesa más la masa del electrón que un tornado que se pueda producir en un lugar determinado.

La ciencia, como nos dice Weinberg, no puede explicarlo todo y, sin embargo, algunos físicos tienen la sensación de que nos estamos acercando a “una explicación del mundo” y, algún día, aunando todos los esfuerzos de muchos, las ideas de las mejores mentes que han sido, y las nuevas que llegarán, podremos, al fín, construir esa Teoría final tan largamente soñada que, para que sea convincente, deberá también, incluirnos a nosotros. Pero, paradógicamente y a pesar de estos pensamientos, existen hechos que los contradicen, por ejemplo, conocemos toda la física fundamental de la molécula de agua desde hace 7 decenas de años, pero todavía no hay nadie que pueda explicar por qué el agua hierve a los 100 ºC. ¿Qué ocurre? ¿Somos acaso demasiado tontos? Bueno, me atrevería a pronosticar que seguiremos siendo “demasiado tontos” incluso cuando los físicos consigan (por fin) esa teoría final que nos pueda dar una “explicación del mundo”. Siempre seguiremos siendo aprendices de la naturaleza que, sabia ella, nos esconde sus secretos para que persista el misterio.

¿Qué sería de nosotros si lo supiéramos todo?

La explicación que dan los físicos actualmente  sobre la subestructura de la materia se llama “el modelo estándar”. En este modelo están incluídas las doce partículas elementales y las tres fuerzas que, cuando se mezclan y se encajan, sirven para construir todo lo que hay en el universo, desde un redondo pan de pueblo hecho en un horno de leña,  hasta las más complejas galaxias, y puede explicar todos los mecanismos de acción, es decir, la mecánica del mundo.

Entre las partículas figuran los seis Quarks famosos: arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y cima. Las otras seis partículas son Leptones: el electrón y sus dos parientes más pesados, el muón y el tau y los tres neutrinos a ellos asociados. Las tres fuerzas son la electromagnética, la fuerza nuclear fuerte (que mantiene unidos a los quarks) y la fuerza nuclear débil (responsable de la radioactividasd). Hay una cuarta fuerza: la Gravedad que, aunque tan importante como las demás, nadie ha sabido como encajarla en el modelo estándar. Todas las partículas y fuerzas de este modelo son cuánticas; es decir, siguen las reglas de la mecánica cuántica. Aún no existe una teoría de la gravedad cuántica.

En realidad, la región que denominamos Gravedad cuántica nos lleva y comprende preguntas sobre el origen del universo observable que nadie ha sabido contestar. Nos lleva a complejos procesos cuánticos situados en las épocas más cercanas imaginables en un espacio-tiempo clásico, es decir, en lo que se conoce como Tiempo de Planck a 10^-43 segundos del supuesto big bang, cuando reinaba una temperatura del orden de 10 x 10³¹ K. Pero, como hemos dicho, al no existir una teoría autoconsistente de la Gravedad cuántica, lo único que podemos hacer (como en tantas otras áreas de la Ciencia)  es especular.

El Modelo Estándar no es, ni mucho menos, satisfactorio. Los científicos piensan que no sólo es incompleto, sino que es demasiado complicado y, desde hace mucho tiempo, buscan, incansables, otro modelo más sencillo y completo que explique mejor las cosas y que, además, no tenga (como tiene el modelo actual) una veintena de parámetros aleatorios y necesarios para que cuadren las cuentas…, un ejemplo: el bosón de Higgs necesario para dar masa a las partículas.

¡La masa! ese gran problema. Todas las partículas tienen masa diferentes pero nadie sabe de donde salen sus valores. No existe fórmula alguna que diga, por ejemplo,  que el quark extraño debería pesar el doble (o lo que sea) del quark arriba, o que el electrón deba tener 1/200 (u otra proporción) de la masa del muón. Las masas son de todo tipo y es preciso “ponerlas a mano”, como se suele decir: cada una ha de ser medida experimental e individualmente. En realidad, ¿por qué han de tener masa las partículas? ¿de dónde viene la masa?

No puedo evitarlo ni tampoco me puedo quedar callado, cuando he asistido a alguna conferencia sobre la materia y, el ponente de turno se agarra a la “materia oscura” para justificar lo que no sabe, si al final hay debate, entro en escena para discutir sobre la existencia de esa “materia fantasma” que quiere tapar nuestra enorme ignorancia.

Pero, sigamos con el problema de la masa. Para resolverlo, muchos expertos en física de partículas creen actualmente en algo que llaman “campo de Higgs”. Se trata de un campo misterioso, invisible y etéreo que está permeando todo el espacio (¿habrán vuelto al antiguo éter pero cambiándole el nombre?). Hace que la materia parezca pesada, como cuando tratamos de correr por el fondo de la piscina llena de agua pero que el agua no se pudiera ver. Si pudiéramos encontrar ese campo, o más bien la partícula que se cree es la manifestación de ese campo (llamada el bosón de Higgs), avanzaríamos un largo trecho hacia el conocimiento del universo. Sí, ya se que hace un par de años dijeron haberla encontrado y, sin embargo yo, todavía tengo dudas al respecto, no acabo de convencerme de su existencia y de cómo da la masa a las otras partículas, el mecanismo para mí no ha quedado nada claro.

Al día de hoy (según nos han contado) la partícula fue encontrada pero… Poco ha cambiado.

Aquí, en este imponente artilugio inventiva de nuestras mentes, se quiere dar respuesta a una serie de interrogantes que se espera solucionar con este experimento:

• Qué es la masa.
• El origen de la masa de las partículas
• El origen de la masa para los bariones.
• El número exacto de partículas del átomo.

Claro que, si no fuera tan largo de contar, os diría que, en realidad, el Campo de Higgs se descubrió hace ya muchos siglos en la antigua India, con el nopmbre de maya, que sugiere la idea de un velo de ilusión para dar peso a los objetos del mundo material. Pocos conocen que, los hindúes fueron los que más se acercaron a las ideas modernas sobre el átomo, la física cuántica y otras teorías actuales. Ellos desarrollaron muy temprano sólidas teorías atomistas sobre la materia. Posiblemente, el pensamiento atomista griega recibió las influencias del pensamiento de los hindúes a través de las civilizaciones persas. El Rig-Veda, que data de alguna fecha situada entre el 2000 y el 1500 a. C., es el primer texto hindú en el que se exponen unas ideas que pueden considerarse leyes naturales universales. La ley cósmica está realcionada con la luz cósmica.

Anteriores a los primeros Upanishads tenemos en la India la creación de los Vedas, visiones poéticas y espirituales en las que la imaginación humana ve la Naturaleza y la expresa en creación poética, y después va avanzando hacia unidades más intensamente reales que espirituales hasta llegar al Brahmán único de los Upanishads.

Hacia la época de Buda (500 a, C.), los Upanishad, escritos durante un período de varios siglos, mencionaban el concepto  de svabhava, definido como “la naturaleza inherente de los distintos materiales”; es decir, su eficacia causal única, , tal como la combustión en el caso del fuego, o el hecho de fluir hacia abajo en el caso dela agua. El pensador Jainí Bunaratna nos dijo: “Todo lo que existe ha llegado a existir por acción de la svabhava. Así… la tierra se transforma en una vasija y no en paño… A partir de los hilos se produce el paño y no la vasija”.

También aquellos pensadores, manejaron el concepto de yadrccha, o azar desde tiempos muy remotos. Implicaba la falta de orden y la aleatoriedad de la causalidad. Ambos conceptos se sumaron a la afirmación del griego Demócrito medio siglo más tarde: “Todo lo que hay en el universo es fruto del azar y la necesidad”. El ejemplo que que dio Demócrito -similar al de los hilos del paño- fue que, toda la materia que existe, está formada por a-tomos o átomos.

Bueno, no lo puedo evitar, mi imaginación se desboca y corre rápida por los diversos pensamientos que por la mente pasan, de uno se traslada a otros y, al final, todo resulta un conglomerado de ideas que, en realidad, quieren explicar, dentro de esa diversidad, la misma cosa.

emilio silvera

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Así sería el nuevo acelerador de partículas – CERN

Europa planea la construcción de un “monstruoso” acelerador de partículas más largo que el Canal de Panamá-

La nueva máquina se montaría en un túnel de 100 kilómetros de diámetro, cuatro veces más grande que el actual LHC

Los secretos mejor guardados del Universo, esos a los que aún no hemos tenido acceso, están tan celosamente guardados que se hace necesario un nuevo y más potente tipo de catástrofe subatómica para sacarlos a la luz. Por eso, y para desatar ese tipo de fuerzas, los físicos europeos quieren construir el acelerador de partículas más poderoso que se haya visto jamás, uno que dejará pequeño al famoso Gran Colisionador de Hadrones LHC, que con sus 27 kilómetros es, en la acualidad, el acelerador más grande y potente del mundo.

Con ese objeto el CERN, el centro europeo para la Física de partículas, acaba de hacer público un informe sobre el proyecto para la construcción del que será el sucesor del LHC. Y si el actual colisionador de hadrones ya parecía una estructura enorme, el nuevo acelerador multiplicará ese tamaño por cuatro. Será más largo que el Canal de Panamá.

El proyecto ofrece varios diseños preliminares para el que se denomina, por ahora, Futuro Colisionador Circular (FCC), que se convertiría así en el más poderoso acelerador construido hasta ahora y que será capaz de llevar a cabo colisiones de diferentes tipos de partículas a energías nunca vistas. Su coste estimado será de 9.000 millones de euros. El recién presentado proyecto en el marco de la denominada Actualización de la Estrategia Europea para la Física de Partículas, que definirá el futuro de este importante campo de investigación por lo menos hasta bien entrada la segunda mitad de este siglo.

«Se trata de un salto enorme -asegura Gian Francesco Giudice, que dirige el departamento teórico del CERN-. Es como planear un viaje no a Marte, sino a Urano».

La Física, en un «impasse»

Tras el histórico descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, el actual colisionador (LHC) no ha vuelto a descubrir nuevas partículas. Y los físicos creen que los nuevos y cruciales descubrimientos que los expertos esperan se conseguirán aumentando la energía de colisión lo más posible. «Actualmente -asegura Giudice- explorar las energías más altas posibles con proyectos audaces es nuestra mejor esperanza para descubrir algunos de los misterios de la Naturaleza en su nivel más fundamental».

Según Halina Abramovicz, física de la Universidad de Tel Aviv que lidera la estrategia europea, el potencial de una máquina como el FCC resulta «muy excitante». Y añade que las características finales del nuevo colisionador se discutirán en profundidad y se compararán con el resto de proyectos que se presenten.

En este sentido, el Consejo del CERN, en el que participan tanto investigadores como delegados de los gobiernos de los países miembros, será el órgano que tome finalmente la decisión de financiar, o no, el proyecto.

Michael Benedikt, el físico del CERN que lidera el proyecto del FCC, asegura que valdría la pena construir esa instalación sin tener en cuenta los posibles resultados científicos. «Este tipo de esfuerzos y proyectos a gran escala -explica Benedikt- son enormes iniciadores para la creación de redes y conexiones de institutos científicos a través de fronteras y países. Y todo eso constituye un muy buen argumento para impulsar proyectos científicos tan singulares».

El estudio sobre el FCC comenzó en 2014 y contó con la participación de 1.300 expertos. La mayor parte de los diferentes escenarios contemplados implican la construcción de un túnel subterráneo de 100 km de diámetro, junto al túnel ya existente del LHC. El coste de esta parte del proyecto, además de la infraestructura de superficie necesaria sería, según el CERN, de unos 5.000 millones de euros.

A esta partida se sumaría la construcción, dentro del mismo túnel, de una máquina de otros 4.000 millones de euros que sería capaz de producir colisiones entre electrones y positrones (su equivalente en antimateria) en un rango de energía nunca alcanzado hasta ahora.

Curiosamente, en esta fase inicial la potencia del nuevo acelerador sería incluso inferior a la del LHC, aunque seguiría siendo la mayor conseguida en colisiones electrón-positrón. Más adelante, según se describe en el informe, se abordaría la construcción, en el mismo túnel de 100 kilómetors del FCC, de un segundo acelerador, un colisionador de hadrones (protones contra protones, como el actual LHC) que costaría otros 15.000 millones de euros adicionales y sería capaz de alcanzar energías de hasta 100 Tev (teraelectronvoltios), muy por encima de los 13 Tev a los que ha sido capaz de llegar el actual LHC.

A la búsqueda de partículas supermasivas

Las partículas que formarían la materia oscura ¿Dónde están?

Tales colisiones permitirían a los investigadores estudiar en profundidad partículas conocidas, como el bosón de Higgs, con una precisión mucho mayor de la que es posible en un colisionador de protones contra protones, como es el LHC. Y también, quizá, descubrir todo un nuevo mundo de partículas «supermasivas» asociadas a una nueva Física que sea capaz de responder a las importantes preguntas que aún quedan pendientes.

En efecto, y a pesar de que con el hallazgo del Higgs en 2012 se completó el Modelo Estandar de la Física de Partículas (la teoría que contempla todos los componentes de la materia y las cuatro fuerzas que los gobiernan), lo cierto es que quedan importantes cuestiones por resolver. ¿Por qué la gravedad es tan débil en la escala subatómica comparada con las otras fuerzas de la Naturaleza? ¿De dónde viene la masa de los neutrinos? ¿Dónde está toda la antimateria que debería tener el Universo? ¿Cuál es la auténtica naturaleza de lo que llamamos materia y energía oscuras? La mayoría de los físicos están de acuerdo en que una máquina capaz de operar a energías mucho más altas que las actuales podría desvelar todas esas nuevas partículas que el LHC no ha conseguido sacar a la luz.

Máquinas listas para 2040 ó 2050

El nuevo programa de investigación podría comenzar alrededor del año 2040, tras la mejora prevista para el propio LHC. Sin embargo, la opción más probable sería construir primero la máquina electrón-positrón (el FCC) y abordar el segundo colisionador (el de protones) más adelante, a finales de la década de 2050.

A pesar del entusiasmo general, o cierto es que no todo el mundo está plenamente convencido qu que este «super colisionador» constituya una buena inversión. «No hay ninguna razón para pensar que pueda haber una nueva Física precisamente en el rango de energías que un colisionador de este tipo podría alcanzar», asegura por ejemplo Sabine Hossenfelder, física teórica del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt, en Alemania. «Y esa es, precisamente, la pesadilla que todos tienen en mente pero de la que nadie quiere hablar».

Según Hossenfelder, las enormes sumas que deberán destinarse al proyecto del FCC podrían gastarse mejor en otro tipo de instalaciones. Por ejemplo, en colocar un radiotelescopio en la cara oculta de la Luna, o un detector de ondas gravitacionales en órbita. Ambas instalaciones, según la física, serían apuestas mucho más seguras.

Las opciones descartadas

Desde hace ya mucho tiempo, los físicos tenían pensado construir, como sucesor del LHC, un gran colisionador lineal, llamado ILC (International Linear Collider), que también sería capaz de hacer colisionar electrones y positrones. Pero el hecho de que desde 2012 el LHC no haya logrado encontrar nada nuevo ha hecho que el interés por un colisionador lineal disminuya sustancialmente. La razón es que el ILC solo alcanzaría las energías suficientes para estudiar los bosones de Higgs, pero no para descubrir nuevas partículas que puedan manifestarse a energías de colisión más altas, como sí que sucerería con el nuevo colisionador presentado por el CERN.

China, al acecho

Mientras Europa se decide, China ya ha puesto sobre la mesa sus propios planes al respecto. Se trata de un acelerador similar al propuesto por el CERN (llamado Circular Electron-Positron Collider, CEPC) y que podría entrar en funcionamiento a partir de la década de 2030, diez años antes que la máquina europea. Según Wang Yifang, director del Instituto Chino de Física de Altas Energías y líder del proyecto, los expertos del gigante asiático han llegado a las mismas conclusiones que los europeos, en términos de objetivos científicos y factibilidad técnica.

Sea como fuere, hoy por hoy no existen garantías plenas de que el FCC llegue a construirse algún día. El «desencanto» dejado por el LHC, que aparte del Higgs no ha conseguido revelar señales de la existencia de nuevas partículas, tal y como como esperaban los físicos, ha hecho que sea muy difícil convencer a las partes interesadas para que respalden y financien un proyecto tan costoso. Si finalmente no lo hacen, Europa podría perder su liderazgo en un campo, el de la Física de Partículas, en el que siempre ha estado en cabeza.

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