El Acelerador de Partículas y el espacio “vacío”

Un simple comentario sobre los Aceleradores de Partículas nos lleva a percatarnos de lo que, en realidad, allí se busca:

1. La exploración directa de nuevas regiones de energía en busca de nuevos fenómenos.
2. El estudio de alta precisión de las propiedades de las partículas elementales y de las fuerzas    fundamentales ya establecidas.

Estas dos líneas de actuación son en buena medida complementarias y, como ha demostrado la experimentación en LEP, las medidas de precisión a una determinada energía permiten vislumbrar que clase de fenómenos aparecerán a más altas energías y anticipar las regiones de interés.

LEP ha anticipado con claridad que el Bosón de Higgs del Modelo Estándar es una partícula ligera, de masa probablemente inferior a 250 GeV. También ha sugerido la escala de   -1 TeV como umbral muy probable para la puesta de manifiesto de una nueva fenomenología que podría incluir partículas supersimétricas, tecnicolar, dimensiones extras o supergravedad a bajas energías, entre otras fascinantes propuestas de Nueva Física.

La exploración directa de esta región de energía y la posibilidad de realizar medidas de precisión es la razón de ser del LHC, la gran instalación científica que está a punto de dar la sorpresa tan largamente esperada. La prueba hace poco realizada, sólo es una comprobación más de las decenas de miles que ya se han llevado a cabo por ordenador y ahora se hizo sobre el terreno.

El Colisionador LHC va a permitir estudiar colisiones protón-protón a 14 TeV en el centro de masas e interacciones plomo-plomo a 1300 TeV en el centro de masas. Existe firme convicción de que el LHC establecerá la naturaleza de la observada rotura de la simetría electrodébil  (el mecanismo de Higgs frente a otras alternativas), dilucidará la posible existencia de partículas supersimétricas -o de otro tipo- así como de nuevas interacciones, pondrá de manifiesto el desconfinamiento de los quarks y la transición de fase hadrones-plasma de quarks y gluones y ayudará a profundizar en el conocimiento de los sabores pesados (quarks botton y top) y en procesos mediados por  violaciones de la simetría CP.

Los resultados de estas investigaciones tendrán influencias en campos estrechamente relacionados con la Física de Partículas como son la Astrofísica y la Cosmología y seguramente ayudarán a desentrañar el misterio de la materia oscura y de la propia existencia de la materia bariónica (asimetría materia-antimateria).

En definitiva, con el LHC se inicia el asalto, tal vez definitivo, a algunas de las cuestiones y desafíos intelectuales más fundamentales en investigación básica. Pero, como muy bien apuntan Vicente y Adolfo, aquí no se acaba esto, y, seguramente, cuando tengamos los resultados, será un gran salto en el conocimiento pero…otro punto de partida hacia lo que está por venir.

Ya dije aquí mismo, hace unas fechas que, dentro de unos veinte años o más, se hablará de otro nuevo Super Colisionador, ya éste, el LHC, habrá cumplido su cometido, nos habrá dicho todo lo que puede decir, y, estaremos buscando nuevos horizontes que nos lleven algo más lejos, toda vez que, el que obtengamos ahora se nos quedará corto en unos pocos años.

Tened en cuenta que el punto de partida del LHC se remonta a marzo de 1984 (reunión de Lausana del Comité ECFA, European Comité for Future Acelerators) aunque la posibilidad de instalar un colisionador hadrónico en el CERN se había previsto años antes  al aprobar la construcción de LEP y dimensionar el diámetro del túnel para que pudiesen cohabitar dos grandes colisionadores: LEP y el LHC. El Proyecto de éste último fue aprobado por el Consejo del CERN en Diciembre de 1994 pero con unas restricciones de financiación tales que imponían un proceso de construcción estructurado en dos fases, algo verdaderamente comprometido al tratarse de una máquina superconductora.

Afortunadamente en 1996,  el Consejo del CERN autorizó un perfil de endeudamiento, que se prolongará hasta el 2010, y que ha permitido construir el LHC en una sola fase. En enero de 1996  se aprobó la construcción de dos experimentos de carácter genérico, ATLAS y CMS, y algo más tarde se aprobó la construcción de ALICE y  LHCb diseñados específicamente para el estudio de las colisiones de iones ultrarelativistas y la producción de partículas con quark b respectivamente.

Podría continuar explicando la enormidad de este proyecto y lo complejo de cada uno de sus componentes, pero eso sería entrar en una serie de explicaciones técnicas de una profundidad que, no en pocos casos, se escapan de mi comprensión, así que, como una aportación de datos y un poco de historia de éste inmenso proyecto, aquí lo dejo.

Esperemos que todo esto acabe felizmente y la Física (también, aunque parezca raro, la Astronomía) encuentre ese eslabón que nos lleve hacia el futuro.

Fluctuaciones de Vacío y la Materia Oscura.

las fluctuaciones de vacío que, al igual que las ondas “reales” de energía positiva, están sujetas a las leyes de la dualidad onda/partícula; es decir, tienen tanto aspectos de onda como aspectos de partícula.

Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio.  El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo momentáneamente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas del espacio”, y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones vecinas.

Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la Gravedad en el vacío, son gravitones virtuales.

Claro que, en realidad, sabemos poco de esas “regiones vecinas” de las que tales fluctuaciones toman la energía. Se me ocurre que por allí podrían estar los campos de Higgs y, alguna cosa más.

¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs?

En realidad sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que “los movimientos de degeneración claustrofóbicos” son para los electrones.

Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que un trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible.

Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de los neutrones, mantiene estable a la estrella de neutrones que, obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo a la estrella.

De la misma forma, si tratamos de eliminar todas las oscilaciones electromagnéticas o gravitatorias de alguna región del espacio, nunca tendremos éxito.  Las leyes de la mecánica cuántica insisten en que siempre quedarán algunas oscilaciones aleatorias impredecibles, es decir, algunas ondas electromagnéticas y gravitatorias aleatorias e impredecibles.

Estas fluctuaciones del vacío no pueden ser frenadas eliminando su energía (aunque algunos estiman que, en promedio, no contienen energía en absoluto).

Claro que, como antes decía, aún nadie ha podido medir de ninguna manera la cantidad real de energía que se escapa de ese supuesto “vacío”, como tampoco se ha medido la cantidad de fuerza gravitatoria que puede salir de ese mismo espacio “vacío”. Y, digo yo, si está vacío como pueden salir de él partículas virtuales, y, me pregunto ¿esas partículas no generan gravedad? ¿podría ser la masa perdida o materia oscura?

Si la energía es masa y si la masa produce gravedad, entonces ¿Qué es lo que hay en ese mal llamado “espacio vacío”?

No puedo contestar de momento esa pregunta, sin embargo, parece que no sería un disparate pensar en la existencia allí, de alguna clase de materia que, desde luego, al igual que la bariónica que sí podemos ver, genera energía y ondas gravitacionales que, de alguna manera que aún se nos oculta, escapa a nuestra vista y solo podemos constatar sus efectos al medir las velocidades a que se alejan las galaxias unas de otras: velocidad de expansión del Universo que no se corresponde en absoluto, con la masa y la energía que podemos ver.

Estoy atando cabos sueltos, uniendo piezas y buscando algunas que están perdidas de tal manera que, por mucho que miremos, nunca podremos ver.  El lugar de dichas piezas pérdidas no está en nuestro horizonte y se esconde más allá de nuestra percepción sensorial.

Estamos en un momento crucial de la Física, las matemáticas y la cosmología, y debemos, para poder continuar avanzando, tomar conceptos nuevos que, a partir de los que ahora manejamos, nos permitan traspasar los muros que nos están cerrando el paso para llegar a las supercuerdas, a la materia oscura o a una teoría cuántica de la gravedad que, también está implícita en la teoría M.

Estamos anclados, necesitamos nuevas y audaces ideas que puedan romper las cadenas “virtuales” que atan nuestras mentes a ideas del pasado.

En su momento, esas ideas eran perfectas y cumplieron su misión.  Sin embargo, ahora no nos dejan continuar y debemos preparar nuestras mentes para evolucionar hacia nuevos conceptos y ahondar en aquellos que, aún estando ahí presentes, no somos capaces de utilizar, como por ejemplo, el Hiperespacio de tan enorme importancia en el futuro de la Humanidad.

Cuándo sepamos “ver” dimensiones más altas, todo será mucho más sencillo y encontraremos las respuestas a los problemas que hoy, no sabemos resolver.

emilio silvera

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