LHC Gran colisionador de hadrones

Vamos a empezar por desentrañar qué es eso de "hadrones". Para ellos nos vais a permitir que hagamos una breve incursión en la historia del conocimiento del átomo. Átomo en griego significa indivisible, era la partícula de materia más pequeña que existía. A lo largo del siglo XIX fue quedando claro que los griegos tenían razón, toda la materia estaba formada por piezas más pequeñas, indivisibles, a las que llamaron átomos. Una pieza de hierro, por ejemplo, era un conjunto de átomos de hierro. Por mucho que lo triturásemos y machacásemos había una masa mínima de hierro que ya no era divisible; esa masa mínima era el átomo. El hierro estaba formado por átomos de hierro, el oro por átomos de oro, la plata por átomos de plata, etc.

Al llegar el siglo XX empezaba a quedar claro que los átomos no eran indivisibles. Así que lingüísticamente hablando la situación era absurda. Llamábamos átomo, que significa indivisible, a algo que se podía dividir. ¡Absurdo! Pero la historia manda. Ya no era cuestión de cambiar la nomenclatura, así que aunque el átomo se podía dividir se quedó con el nombre de "indivisible". El átomo fue perfilándose como un pequeño sistema solar. En el centro había un núcleo que hacía el papel del sol y girando en torno suyo estaban los electrones que hacían el papel de planetas. Así que ya teníamos que los átomos se dividían al menos en dos piezas: núcleo y electrones dando vueltas en torno suyo. Los electrones son negativos, el núcleo positivo. Las piezas positivas del núcleo se llamaron protones. Como el átomo visto en su conjunto no tiene carga eléctrica, en el núcleo tenía que haber tantos protones como electrones en la superficie. Eso resultó ser cierto, pero no era toda la verdad; ésta era un poco más compleja. En el núcleo se apelotonaban tanto los protones con carga positiva como otras partículas sin carga a las que se llamó neutrones. ¿Se imaginan el porqué del nombre, verdad? Electrones negativos; protones positivos; neutrones, neutros: ni positivos ni negativos, sin carga eléctrica.

Así que la nueva imagen del átomo era la de un minúsculo núcleo en el centro, formado por neutrones y protones, en torno al cual dan vueltas las cargas negativas: los electrones.

Todo quedó relativamente tranquilo durante una temporada, pero pronto empezaron a surgir anomalías que sugerían que los protones y los neutrones no eran partículas elementales, "indivisibles", sino que a su vez estaban formados por unas partículas más pequeñas a las que en 1964 dieron el extraño nombre de quarks" Quarks no significa nada; no procede del griego ni del latín. Es un nombre absurdo sin significado que viene de la obra de James Joyce titulada Finnegans Wake. ¡Una novela con un lenguaje extraño da nombre a unas partículas extrañas! Y es más uno de los quarks recibe el nombre de extraño.

Según la teoría de los quarks los protones estarían compuestos de tres quarks. Los neutrones también. La teoría también predecía la existencia de antiquarks que serían partículas muy similares a los quarks pero que en alguna propiedad tenían un signo distinto. Por ejemplo, si el quark tenía una carga eléctrica positiva un antiquark tendría la carga negativa.

La existencia de los quarks quedó demostrada en 1968. No se trataba de una elucubración teórica, existían de verdad.

Se llaman hadrones a las partículas formadas por tres quarks o por dos quarks y antiquark. Dentro de la enorme fauna de partículas subatómicas existentes, hay dos de las que ya hemos mencionado que son hadrones, se trata de los protones y de los neutrones. Las dos están formadas por tres quarks. Son las más habituales, las más estables. Hay otras pero son muy raras. Así que la palabra hadrones de Gran Colisionador de Hadrones se refiere a neutrones y a protones. Además hay otro pequeño detalle, se trata de que hoy por hoy es muy difícil acelerar los neutrones pues son neutros. Es mucho más fácil acelerar protones porque tienen carga eléctrica. Por ejemplo, en un tubo de televisión clásico los electrones se aceleran y al chocar con la parte frontal del tubo producen luz. La luz que forma las imágenes. Acelerar una partícula cargada eléctricamente es tan sencillo como aplicarle un campo eléctrico o un campo magnético. Acelerar una partícula neutra es infinitamente más difícil. Por eso nuestro Gran Colisionador de Hadrones se refiere a Gran Colisionador de Protones. Lo que van a acelerar y a llevar a velocidades próximas a la de la luz van a ser protones, es decir, partículas del núcleo atómico cargadas positivamente.

Ya sabemos de dónde viene la palabra hadrones, pero ¿por qué colisionador? Para entenderlo vamos a hacer un símil. Supongamos que tenemos unas esferas que no sabemos qué contienen dentro. No tenemos forma de cortarlas para saber qué encierran pues son tan pequeñas que no podemos ni tan siquiera aislar una sola. Una forma muy bruta de saberlo es hacer dar vueltas a las pelotas acelerándolas. Unas las hacemos girar en el sentido horario y otras en el antihorario. Cuando ya tienen mucha velocidad hacemos chocar las que van en un sentido con las que van en el otro. Al chocar se rompen y desparraman todo lo que llevan dentro y que ahora podemos estudiar.

A veces cuando dos pelotas chocan a enorme velocidad su naturaleza cambia. Por ejemplo, si la pelota es de caucho en el choque se produce tanto calor que se quema y cambia y deja de ser flexible. Algo parecido ocurre cuando chocan con gran energía partículas elementales, pueden cambiar su naturaleza y se pueden crear partículas nuevas. Eso también tiene que ver con una propiedad del mundo atómico que no tiene equivalente en el mundo habitual en el que vivimos. Se trata de que energía y masa son hasta cierto punto equivalentes. Es la famosa ecuación de Einstein E=MC2. La masa es un gran contenedor de energía. La fórmula nos dice que un gramo de masa tiene en su interior 25.000 kilovatios hora (kWh). Una familia estándar consume unos 500 kWh al mes; es decir, que un gramo de masa tiene energía suficiente para satisfacer las necesidades de 50 familias durante un mes. También ocurre lo contrario, una gran cantidad de energía puede dar lugar a una nueva partícula con masa. Así que cuando chocan dos protones que llevan casi la velocidad de la luz poseen una enorme energía, al chocar, esa energía se transforma en partículas. Es algo similar a lo que ocurrió en el Big Bang grandes cantidades de energía se trasformaron en partículas, ¿en qué partículas? Eso es lo que va a descubrir este experimento, se van a crear partículas hoy desconocidas para nosotros similares a las que existieron una fracción de segundo después del origen del Universo y podremos entender mejor qué pasó entonces.

Uno de los enigmas de la física actual es qué es lo que da origen a la masa. ¿Por qué ciertas partículas tienen masa? Una de las hipótesis es que la masa viene dada por la que se llama partícula de Higgs, y algunos experimentos previos nos dicen que aparecerá en el orden de energía que se consigue cuando chocan los dos protones del LHC. La teoría nos dice cómo es la partícula de Higgs. Si la encontramos será una prueba de que la teoría es correcta, si no lo hacemos será una prueba casi definitiva de que la teoría es incorrecta y que hay que buscar otra. En ambos casos habremos avanzado enormemente en el conocimiento de la naturaleza. Hay otra teoría competitiva que se llama cariñosamente SUSY que nos dice que no encontraremos la partícula de Higgs pero que encontraremos otra que se llama neutralino. Si encontramos el neutralino habrá quedado claro que la primera hipótesis es inválida y que SUSY tiene más probabilidades de ser correcta. Mis apuestas van por SUSY.

utilidad

¿Para qué sirve todo esto?

En varios foros de Internet hemos visto reiteradamente la pregunta de para qué sirve gastarse tanto dinero para algo que no tiene ninguna utilidad práctica -España contribuye con 55 millones anuales al CERN. ¿Para qué queremos saber si existe o no el neutralino o la partícula de Higgs? ¿Para qué nos sirve saber si el modelo actual de cómo está constituida la materia es correcto no? ¿No se trata de caprichos -carísimos- de científicos nada prácticos? La respuesta es muy simple, nunca sabemos anticipadamente para qué sirve la ciencia básica, pero sí sabemos que a la larga es la que más contribuye a nuestro bienestar. Por ejemplo, el conocimiento de la estructura del átomo, algo que a principios del siglo XX parecía un capricho de científicos aburridos, ha sido decisivo en la creación de toda la electrónica moderna, del conocimiento de los genes, de los nuevos sistemas de síntesis de moléculas,...etc Resulta que no era un capricho, era básico para miles de cosas. Pero en el caso del LHC hay cosas mucho más inmediatas. Por ejemplo, gran parte de la tecnología que ha habido que desarrollar para sus electroimanes hoy se utilizan en los sistemas de diagnostico médico como son la Resonancia Magnética, los TAC y los PET. Y es más, una de las previsibles soluciones al problema energético es conseguir las reacciones de fusión; con ello se logrará una energía razonablemente limpia, se espera que a precios competitivos y con un combustible inagotable (agua pesada). Para lograr la fusión se está realizando un reactor experimental en Caradache, Francia, que se llama ITER. Los electroimanes del ITER utilizan las mismas tecnologías que los del LHC. El conocimiento adquirido para el desarrollo del LHC ha servido para el ITER. ¿Qué más práctico que solucionar el problema energético?