El gran colisionador de hadrones (en sus siglas inglesas LHC) del laboratorio de partículas del CERN es sin duda uno de los grandes logros tecnológicos de la Humanidad. En él se hacen colisionar haces de protones a energías comparables a las que emplea un gran avión de pasajeros en despegar. El análisis de los productos de estas espectaculares colisiones nos permiten conocer la naturaleza de los constituyentes fundamentales de nuestro universo, buscando entre los "escombros" nuevas partículas aún por descubrir, como el ya famoso –por lo muy esperado– bosón de Higgs, responsable de dar masa (esto es, inercia) a las partículas conocidas.
 
Sin embargo, como todo gran acontecimiento humano, y por tanto sociológico, lleva asociado su propia ración de mitología. Leemos a menudo en los periódicos noticias fabulosas sobre la posibilidad de que se formen en el LHC agujeros negros que acaben engullendo a la Tierra, o bien que gracias a sus colisiones abriremos las puertas de nuevas dimensiones espaciales, todas ellas noticias con innegables guiños a la Ciencia Ficción. Sin embargo, hay una noticia recurrente que por su forma de plantearse parece que no suscita suspicacias, ni siquiera entre los científicos, y es la siguiente: "El LHC recrea la gran explosión (Big Bang) en el laboratorio". Hace tan sólo unos días volví a leer titulares similares en varios periódicos españoles. Incluso el laboratorio de partículas, en su página web de divulgación asociada a la exposición permanente Microcosm, se pregunta algo parecido: "How do the accelerators recreate the conditions at the beginning of the universe?" Dado que para muchos esta asociación del LHC con la gran explosión está bastante arraigada, me gustaría aclarar en qué sentido es válida y cuáles son sus limitaciones.
 
El acelerador de protones del LHC convierte enormes cantidades de energía eléctrica (de las centrales nucleares francesas) en energía cinética de los protones, de manera que éstos llegan a viajar a 0,999999964 veces la velocidad de la luz, correspondiente a una energía unas 4000 veces su masa, o aproximadamente 3,5 teraelectrovoltios (TeV). Dentro de un par de años se alcanzarán los 7 TeV por protón en cada uno de los haces que se mueven en direcciones opuestas y convergen en los puntos de colisión, uno por cada experimento: ATLAS, CMS, ALICE y LHCb. Cada protón acompaña a otros cien mil millones de protones en un paquete de dimensiones microscópicas, del orden de 100 micras –el grosor de un pelo humano– en el momento de la colisión, y sin embargo se producen tan sólo 20 eventos (colisiones puntuales) por cada cruce de haces. Dichos protones se repelen mutuamente (por tener todos la misma carga positiva) y la densidad en la colisión es de unos 1022 protones por metro cúbico –una cien millonésima de la densidad del agua.
 
Por otra parte, si suponemos que la energía de 3,5 TeV corresponde a la energía media de las interacciones en el universo primitivo unos 100 femtosegundos después de la gran explosión, entonces podemos estimar –usando las ecuaciones de la relatividad general asociadas a la expansión del universo– que a esas energías el universo visible tenía una extensión de unas 60 micras (¡inferior al tamaño del paquete de protones!) y una densidad unas mil billones de veces la de una estrella de neutrones, el cuerpo más denso conocido en el universo actual. A esas temperaturas y densidades el universo estaba en perfecto equilibrio térmico y químico. Mas aún, el ritmo de expansión en esos momentos era feroz: el universo dobló su tamaño en 100 femtosegundos, y al cabo de 25 nanosegundos –el tiempo que tarda en llegar el siguiente paquete del haz en el LHC– el universo visible tenía ya una extensión de 15 metros, del orden del tamaño de los propios detectores de partículas, ATLAS, CMS, ALICE y LHCb.
 
Pues bien, aquí radica la principal diferencia entre las colisiones en el LHC y los estadios primitivos del universo instantes después de la gran explosión. Aunque las energías intercambiadas en la colisión son similares, éstas ocurren a densidades muchos órdenes de magnitud inferiores a las de la gran explosión y en condiciones físicas radicalmente distintas: totalmente fuera del equilibrio y en un espacio-tiempo estático. Es más, a esas temperaturas el universo primordial estaba compuesto de quarks y gluones –así como de electrones, fotones y neutrinos–, pero no de protones (¡éstos aparecen mucho más tarde!). Entonces, ¿en qué sentido podemos decir que el LHC recrea la gran explosión? Al alcanzar las energías que tuvieron lugar en la gran explosión, tenemos acceso controlado a procesos enormemente energéticos que no pueden darse hoy en día en el frío espacio interestelar y, observando los productos de la colisión, deducir las propiedades fundamentales de la materia, las cargas y las masas de los constituyentes elementales. El cosmólogo entonces extrapola dichas características fundamentales al contexto físico concreto de un universo hiperdenso en equilibrio térmico y en trepidante expansión. La diferencia está en el comportamiento colectivo de las partículas y en el espacio-tiempo en el que tienen lugar las colisiones, ya que las interacciones puntuales son comunes a ambos y dependen exclusivamente de esas cargas y masas que miden los colisionadores como el LHC.
 
Es importante señalar que el acelerador de protones del CERN no es el único capaz de generar hoy en día tales energías. Existen en el universo actual procesos astrofísicos tremendamente violentos que ocurren en el centro de galaxias activas –tomando energía de la interacción gravitacional en las proximidades de agujeros negros increíblemente masivos–, que generan chorros de partículas con varios miles de millones de veces la energía del LHC. Estas partículas –los llamados rayos cósmicos ultraenergéticos– recorren distancias cosmológicas hasta chocar contra nuestra atmósfera, produciendo inmensas cascadas de partículas que pueden perturbar las telecomunicaciones y son medidas en tierra por detectores cubriendo un área de cientos de kilómetros cuadrados, como los del experimento Pierre Auger en Argentina. Tales eventos, sin embargo, son muy raros, y ocurren en condiciones fuera de control por el ser humano; no podemos reproducirlos y en muchos casos no sabemos ni siquiera la naturaleza de la partícula primaria que chocó con la atmósfera, por lo que es difícil inferir de ellos las propiedades fundamentales de los constituyentes elementales, como hacen los detectores de partículas del LHC.
 
Resumiendo, la Ciencia busca respuestas a preguntas cada vez más básicas –¿cuál es el origen de la masa? ¿qué ocurrió en los primeros instantes del universo? ¿cuáles son los constituyentes fundamentales de la materia?– y la forma de responderlas es a través de experimentos controlados y observaciones cuidadosas. El gran colisionador de hadrones y los detectores de rayos cósmicos ultraenergéticos son en realidad experimentos complementarios. Ambos nos acercan aún más a la comprensión del origen del universo.
Juan García-Bellido Capdevila
Juan García-Bellido Capdevila

Profesor de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid e investigador del Instituto de Física Teórica del CSIC. Autor de más de un centenar de artículos en revistas especializadas, es un cosmólogo teórico reconocido internacionalmente. Ha trabajado en el CERN, el Imperial College de Londres y la Universidad Stanford. Sus investigaciones cubren un amplio rango de fenómenos, desde el origen del universo en términos de la teoría de la inflación cosmológica, hasta la formación de galaxias y la naturaleza de la materia y energía oscuras. Es un amante de la música y de la pintura. Está casado y tiene dos hijos.

Sobre este blog

Vivimos en estos momentos una revolución en cuanto a nuestro conocimiento del cosmos. Podemos determinar con precisión asombrosa, gracias a experimentos altamente sofisticados, un conjunto bastante grande de parámetros que caracterizan nuestras teorías, y sin embargo desconocemos de qué esta hecho casi el 95% del universo. Sin duda nos queda mucho por entender.

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