Psicofonías
Y el mundo no acabó
¿Hola? ¿Hay alguien ahí?
...
Hummm... Parece que el mundo no ha terminado aún.
El LHC
En realidad, mientras ecribo esto, aún faltan algunas horas para el arranque del mayor instrumento científico jamás construído, el LHC (aunque, como te comenté ayer, es sólo un arranque de pruebas).
Todo en este aparato se mide en superlativos. Es una de las paradojas de la física de partículas el que, para ver cosas cada vez más pequeñas, se necesiten máquinas cada vez más grandes. Con sus nueve kilómetros de diámetro y, según dicen, consumiendo tanta energía como una ciudad para alimentar unos imanes superconductores (que han sido enfriados a dos grados sobre el cero absoluto) con los que se impulsarán pequeñas nubes de protones, finas y alargadas como alfileres, a una velocidad cercana a la de la luz. Los protones, que se habrán aplastado como lentejas por los efectos relativistas de la velocidad, recorrerán innumerables veces los 27 Km de tubería en la que se ha hecho el vacío y acabarán impactando en un blanco de plomo.
El impacto alacanzará una energía de 14 TeV (Tera-electrón/Voltios), que es la mayor que jamás haya conseguido un acelerador (en realidad, una buena parte de esta se desperdicia, pero vamos a ignorar esto), aunque esta energía ni siquiera serviría para calentar tu café una cienmillonésima de grado (La diferencia está en que en tu taza de café hay una cantidad absurdamente grande de moléculas formadas por átomos formados por particulas para repartirse esa energía, con lo que no queda tan resultona).
La mayoría de estos protones pasarán a traves del plomo sin inmutarse, pero alguno de ellos dará de lleno en el núcleo de un átomo. Allí impactará contra otro protón o, mejor aún, contra un neutrón y, con suerte, un par de sus quarks componentes se encontrarán frente a frente con la enrgía necesaria, y se hará la magia cuántica.
La energía disipada por el impacto se materializará en montones de raras partículas (quizás con el Higgs entre ellas), la mayoría de las cuales se desintegrarán casi instantáneamente en otras partículas que atravesarán, quizás, alguno de los grandes detectores del LHC. Por supuesto, los otros quarks también pueden generar sus propias partículas, contribuyendo a que se arme un lío tremendo en el detector que dé un montón de trabajo extra, pero ese es el inconveniente de trabajar con hadrones.
Del estudio de los restos de esta catástorfe submicroscópica se podrán deducir la existencia y las propiedades de las partículas generadas.
Agujeros negros
Un objeto que cayera desde el espacio a la tierra acabaría impactando con ella a una velocidad de unos 40.320 Km/h.
A la inversa, un objeto lanzado dede la tierra escaparía de esta si llevase una velocidad inicial de esos mismos 40.320 Km/h.
Por esta razón, a esa velocidad se le llama, precisamente, "velocidad de escape".
Si el radio de la tierra fuese menor (con la misma masa), la velocidad de escape sería mayor. Si llevamos esto a sus últimas consecuencias, resulta que para toda masa existe un radio límite caracterísitco, para el cual la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz.
Como no se puede superar la velocidad de la luz, una masa que esté concentrada en un volumen inferior a este límite no dejará escapar nada. Eso es un agujero negro.
Por qué pueden crear agujeros negros
De esta idea unos tipos se sacaron el siguiente planteamiento:
Si lanzas una partícula contra otra con mucha fuerza, es posible que se aplasten tanto que superen el radio límite que hemos comentado y se transformen en un micro-agujero negro.
Como, por definición, un agujero negro no deja escapar nada, lo único que este puede hacer es crecer. Atraería a otras partículas a su alrededor e iría engordando. Su radio crecería mientras iba cayendo al centro de la tierra devorando cada vez más materia hasta que se tragase todo el planeta.
Donde antes había un bonito planeta azul y blanco ya solo quedaría una pequeña esfera de negrura total.
¡Paren las máquinas! Gritaron ¡El LHC destruirá el mundo!
Pero los físicos no han hecho ni caso, y se empeñan en sus siniestros experimentos. Como guión de serie B no está mal, pero la realidad no funciona así.
Por qué NO pueden crear agujeros negros.
Para empezar, estos tipos son ya unos viejos conocidos, y hace tiempo que se oponen a cada acelerador que se proyecta. Cada vez que han dicho que etsa vez sí que era el fín han fallado. Pero el que siempre hayan fallado no significa que no acierten esta vez.
Su principal problema de cara al públicones que ni ellos mismos saben hasta qué punto es posible lo que dicen, no aportan ninguna prueba y, sobre todo, no son capaces de decidir cuánta energía haría falta para su supuesto apocalipsis. Pero que ellos no sean capaces de saberlo no significa que no pueda pasar.
El supuesto agujero negro sería realmente pequeño. Tan pequeño, de hecho, que hay físicos que opinan que no puede existir nada de ese tamaño. Que no existe el mismo concepto de distancia o tamaño a esos niveles. Pero es simple teoría, nadie sabe realmente lo que pasa a esas escalas, y podría no ser cierto.
El famoso Stephen Hawking descubrió hace tiempo que, por un elegante efecto cuántico, todos los agujeros negros emiten radiación (a la que se llama, por razones ovbias, "Radiación de Hawking"). En realidad no la emiten directamente, sino que es algo que ocurre justo en su "horizonte de sucesos", pero el caso es que sale radiación desde ellos y pierden masa a cambio. Si un agujero negro es de tamaño "normal" (es decir, a escala astronómica) emitirá muy poca radiación que se compensará ampliamente con lo que absorva gravitatoriamente de su alrededor. Cuanto más pequeño es el agujero negro, más radiación emite y menos absorve del exterior. Si es demasiado pequeño emitirá radiación y se hará menor, con lo que emitirá aún más radiación y se hará aun menor... Cada vez más deprisa.
Si la masa de un agujero negro se mide "solo" en millones de toneladas, su tiempo de vida se mide en segundos.
Un hipotético agujero negro de tamaño subnuclear tendría sus nanosegundos contados.
Pero Hawking, con todo lo listo que es, podría estar equvicado.
Ahora, en serio ¿Por qué no pueden crear agujeros negros?
El LHC es el mayor acelerador jamás construído por el hombre. Algunos opinan que, dado el dineral que valen estas cosas, quizás sea el mayor que se construya jamás.
Pero la naturaleza, como casi siempre, nos lleva la delantera.
No está muy claro cómo se lo monta, aunque parece que los inmensos campos magnéticos de las galaxias podrían acelerar partículas en el espacio, pero el caso es que contínuamente llegan a la tierra protones acelerados con energías monstruosas (millones de veces mayores que las del acelerador) que dejan al LHC, en comparación, como una especie de lento tiovivo para protones aburridos.
Estas partículas, llamados "Rayos Cósmicos" llegan contínuamante a la Tierra, la Luna, el Sol y los planetas, impactando con otras partículas como millones de experimentos del LHC.
Y, hasta ahora, ninguno se ha converido en un agujero negro...
Mañana, el LHC
Aviso: Post desesperadamente largo y probablemente aburrido. Para colmo de males, las cosas no són exactamante como las cuento. En cualquier caso, todo error en este post es producto exclusivo de mi ignorancia.
Como incentivo, al final del post hay una foto de una señorita semidesnuda (Siempre puedes saltarte el texto e ir directamente al final).
Si le preguntas a algún físico de partículas por el "Modelo Estándar" te dirá que es casi perfecto.
El modelo estándar describe las partículas, sus propiedades, y cómo interactúan entre ellas. En principio se podría deducir a partir de él toda la física o la química, aunque los cálculos para ello serían inenarrablemente complejos. Está muy lejos de ser completa, tiene un montón de lagunas, zonas neblinosas, y como una veintena de variables que no se deducen de la propia teoría y que molestan mucho a los físicos, pero el caso es que sus resultados son espectaculares.
De vez en cuando un físico teórico, con sus ecuaciones y sus ordenadores llama a los físicos experimentales y les dice "pon el acelerador en marcha y mira en tal sitio, que debería haber una partícula con estas características". Entonces, los físicos experimentales (a los que, aunque no siempre lo admitan, les encanta dejar en ridículo a los de las ecuaciones) hacen el experimento en cuestión, miran en su cámara de burbujas, y voilà, ahí está el bicho de los teóricos.
En 1954, unos tipos llamados C. N. Yang y R. L. Mills publicaron un artículo teórico (Conservation of Isotopic Spin and Isotopic Gauge Invariance) de contenido básicamente hipotético. Se taraba de una de esas cosas llenas de fórmulas matemáticas que yo soy incapaz de entender (y mucho menos explicar) Pero a la que podemos hacer una somera aproximación:
La fuerza electromagnética se transmite entre partículas cargadas por medio de fotones. Aunque una partícula puede estar cargada positivamente o negativamente sólo hay un tipo de carga eléctrica, pero ¿Qué pasaría si hubiera más de un tipo de carga?
Que sepamos, hay cuatro fuerzas en el universo (lo siento, el amor no es una de ellas).
La interacción electromagnética es la más conocida y la que más afecta a la materia en nuestra "vida cotidiana". afecta las partículas con carga eléctrica y es transmitida por el intercambio de fotones.
La interacción fuerte opera entre los quarks y las partículas formadas por ellos (hadrones), como el neutrón y el protón, por medio de los gluones.
La interacción debil afecta a los fermiones (quarks, electrones, neutrinos, muones y tauones) lo que significa que afecta a casi todo lo que podemos llamar "materia" y opera por medio de tres partículas, los bosones W- W- y Z.
La interacción gravitatoria es la mas débil de todas ellas, afecta a las partículas con masa, y si le preguntas a un físico cuántico por ella, comenzará a mirarse la punta de los zapatos y retorcerse los dedos mientras murmura cosas sobre "gravitones", pero la verdad es que es la la gran desconocida y todavía no lo tienen nada claro.
Yang y Mills elaboraron una serie de reglas (simetrías) que toda interacción debería cumplir y llegaron a la conclusión de que, si ese fuera el caso, debería haber más de un tipo de "fotón" para transmitir las distintas interacciones. Además, todos esos "fotones" debían interactuar (con las partículas y entre ellos mismos) con la misma fuerza y, (lo que es mas importate para nosotros ahora) todos ellos debían tener masa 0 (que, por otro lado, es la que tienen los fotones de toda la vida).
Para los físicos, una simetría es, a grandes rasgos, algo que puedes modificar sin que cambien los resultados. Tú puedes construir una linterna en casa o en la calle, pero funcionará igual (simetría espacial), puedes hacerlo ahora o mañana, pero las leyes que rigen su funcionamiento siguen siendo las mismas (simetría temporal) puedes rotarla o construir una versión especular (como si fuera su imagen en un espejo) y no habrá diferencia (esto último no es cierto para algunos procesos físicos, pero para una linterna vale). Puedes incluso hacer cosas más sofisticadas, como cambiar el voltaje de ambos polos de la bombilla (sin cambiar la diferencia entre ellos) sin que esta se funda ni notes diferencia alguna...
Las simetrías son conceptos fundamentales en física ¿Te suenan de las "Leyes de conservación"? Pues todas ellas son efecto de alguna simetría.
El artículo en cuestión no tuvo demasiado eco en su momento (entre otras cosas, porque era demasiado "hipotético"), pero despues (con el descubrimiento de los quarks y esas cosas) se reveló como una pieza fundamental de la física de partículas.
Cuando, mas tarde, Sheldon Glasgow andaba investigando una fuerza llamada "Interacción débil", se encontró con algo interesante. Para que se diesen estas interacciones, debían existir tres clases de partículas mediadoras (haciendo el papel de los fotones en la interacción electromagnética) con espin 0 y que además interactuasen entre ellas. Precisamente como habían supuesto Yang y Mills. De hecho, sus deducciones encajaban fantásticamente con las simetrías que estos habían supuesto.
A estas partículas se les puso el aburrido nombre colectivo de "bosones vectoriales". Para acabar de redondear lo de los nombres feos, se las llamó, respectivamente, W+ W+ y Z.
Una forma de ordenar las partículas es entre "fermiones" y "bosones". Se diferencian en una propiedad llamada "spin" pero, a efectos prácticos, la cosa consiste en que los fermiones (electrones, por ejemplo) cumplen el "Principio de exclusión de Pauli", que dice que no puede haber dos de ellos en un mismo estado (un estado cuántico es la descripción de las propiedades de una partícula, algo así como "donde está y que está haciendo"). Los bosones (fotones, por ejemplo) por su parte, no solo no respetan esta regla, sino que tienden a adoptar el mismo estado (digamos a hacer las cosas juntos). Por eso puedes hacer un laser de fotones, pero no de electrones.
La otra diferencia (y muy importante) es que el número de fermiones debe conservarse (esto no es exactamente cierto, pero ya nos vale), mientras que el de bosones no. Para complicar las cosas, una partícula que esté formada por un número par de fermiones es un bosón.
En física cuántica, todas las fuerzas son transmitidas por intercambio de partículas. Por ejemplo: La interacción electromagnética es transmitida por el intercambio de fotones. Todas estas partículas que se intercambian en las interacciones son, necesariamente, bosones.
La interacción débil es de muy corto alcance, y hay una especie de regla que dice que, cuanto menor es el alcance de una interacción, más masa debe tener la partícula que la transmite. Por lo que Glasgow supuso que los bosones vectoriales debían ser realmente pesados. Pero, como hemos visto arriba, las simetrías de Yang y Mills exigían que la masa de estas partículas fuese exactamente de cero.
De todos modos, Glasgow les dijo a los tipos de los aceleradores qué tenían que buscar, y en el acelerador LEP del CERN encontraron las grandes W+, W+ y Z0 que predecía Glasgow.
La cosa no tenía mucho sentido, hasta que otros dos teóricos, Weimberg y Salam, echaron mano del "mecanismo de Higgs".
Años antes, un tipo llamado Peter Higgs había escrito otro artículo, este titulado "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons", en el que postulaba un mecanismo por el que un campo podía dotar de masa (o algo indistinguible de la masa) a las partículas. Higgs, haciendo una especie de analogía con los superconductores, suponía que el "vacío" está en realidad lleno de partículas (bosones, para ser exactos) en un peculiar estado cuántico llamado "condensado de Bose", con la peculiaridad de que un espacio lleno de estas partículas tenía una menor energía que uno si ellas. Estos bosones podían afectar al movimiento del resto de partículas de un modo que fuese indistinguible de los que llamamos "inercia".
La explicación mas usual e intuitiva que he leído del "mecanismo de Higgs" es parecida a la siguiente:
Supón una sala en la que hay una fiesta, con la gente uniformemente distribuida (esa gente es el campo de Higgs) a la que entra una famosa estrella de cine. La gente de la fiesta que está mas cerca de la estrella se agrupa en torno a ella, dificultando su avance y haciendo que este sea más lento.
Pero, una vez en movimiento, el grupo de gente (nuevos fans se sumarán y otros se retirarán, pero siempre hay un montón de gente alrededor de la estrella) avanza con ella, haciendo más difícil que esta detenga su marcha, o incluso que trate de ir más deprisa o cambiar de dirección.
Y, precisamente, esa dificultad para cambiar de velocidad o dirección es lo que llamamos "masa inercial".
La unión del modelo de Glasgow con el mecanismo de Higgs encaja perfectamente con las simetrías de Yang y Mills y, lo que es más importante, cuadra de un modo espléndido con los experimentos. Pero deja una puerta abierta a la pregunta obvia de que, si el mecanismo de Higgs es capar de dotar de masa a los bosones vectoriales ¿No será también la causa de la masa de todas las partículas?
Cuando se descubrió que los hadrones estaban en realidad hechos de quarks, y que estos también se podían ajustar a las simetrías de Yang y Mills, el mecanismo e Higss pareció aun mas necesario.
Se llama hadrones a las partículas sobre las que actúa la interacción fuerte (O, por lo que sabemos ahora, que están compuestas de quarks). Hay muchos tipos, pero los que tiene mas efecto en tu vida cotidiana son los neutrones y los protones, que forman el núcleo de los átomos.
Neutrones y protones están formados, cada uno, por tres quarks que reciben los absurdos nombres de up y down. Concretamente el neutrón tiene dos down y un up, y el protón tiene dos up y un down.
Los físicos experimentales arrancaron sus aceleradores y se pusieron a la caza del bosón de Higgs, pero nu hubo manera de encontrarlo: Hacía falta más energía de la que sus máquinas podían dar.
Pero, caundo modificaron el acelerador LEP para que tuviera aún más potencia, sus resultados fueron ambiguos pero esperanzadores: Había algo que podía ser el rastro del Higgs, pero haría falta más energía para poder estar seguros.
Pero darle más energía al LEP se estaba volviendo demasiado difícil. Allí aceleraban electrones y positrones, que son unas partículas pequeñas y ligeras (lo que viene muy bien para obtener resultados claros y con poco ruido). Cuando aceleras en un anillo una partícula cargada (y para acelerarla tiene tener carga) esta empieza a emitir energía (radiación sincrotón), que hace que pierdas parte del impulso que pretender darle. Y emite más cuanto más rápido gire.
Sólo hay dos formas de solucionar esto: O haces un acelerador con un radio mayor (para que la curvatura sea menor) o aceleras partículas más grandes (para que puedan tener más energía a menos velocidad).
Aumentar de tamaño un monstruo como el LEP se sale de cualquier presupuesto, de modo que alguien pensó "Aprovechemos las instalaciones del LEP pero, en lugar de acelerar pequeños electrones, vamos a acelerar protones, que son mucho más grandes". Y así nació el LHC.
El LHC acelera protones (que son hadrones, como hemos visto más arriba, y de ahí el nombre el acelerador), con lo que puede conseguir mucha más energía en un anillo del mismo tamaño, sin que la radiación sincrotón se te dispare demasiado, paro para construirlo hubo que desmontar el LEP, que era un acelerador precioso que había dado unos resultados estupendos y al que los físicos europeos le tenían mucho cariño (Según dicen, los americanos le tienen menos cariño, porque el LEP es una de las razones de que se hayan quedado un poco atrás en esto de la física de patículas).
Y ya está el LHC terminado, y mañana lo ponen en marcha. En realidad, sólo son las primeras pruebas y aún no va a funcionar a plena potencia ni a colisionar nada, pero ya hay gente diciendo que lo apaguen, que es un chisme muy peligroso, y que va a provocar el fin del mundo.
Hay un montón de teorías que intentan describir el universo más allá del modelo estándar (Supersimetrías, Supercuerdas, Gran Unificación, Gravedad Cuántica...) y los partidarios de todas ellas están mirando al LHC (con la posible excepción de las Supercuerdas, pero esta es otra historia). No sé si van a encontrar el bosón de Higgs (personalmente, es una partícula que me parece muy fea) pero, tanto si está ahí como si no, seguro que se descubren montones de cosas fascinantes.
Lo que seguro que no pasará es que se acabe el mundo. Te apuesto lo que quieras. Pero, como ya es muy tarde y esto se me ha alargado de más (son las tantas de la noche y mañana me voy de viaje), dejo para la semana que viene el contarte por qué no hemos sido destruidos por un agujero negro ni nada por el estilo. Prometo que, entonces, sí seré breve.
Ah, se me olvidaba. La señorita que te prometí:
