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El LHC y el Big Bang

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Relativista    ~    Comentarios Comments (2)

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Reproduzco aquí una parte de un amplio anrtículo: La Nueva Cosmología, que Juan García-Bellido ha escrito y ha siodo publicado por la RSEF, volumen 25 nº 2 que está titulada Partículas elementales y Cosmología I. En estos trabajos, los expertos nos dan cuenta de los adelantos y últimos estudios que, sobre distintas cuestiones se están realizando y los logros que se alcanzan en algunos de ellos.

El fragmento se titula como arriba se reseña y comienza asi:

El gran Colisionador de Hadrones LHC del Laboratorio de Partículas del CERN es sin duda unos de los grandes logros  tecnológicos de la Humanidad. En él se hacen colisionar haces de protones a energías comparables a las que emplea un avión de pasajeros en despegar. El análisis de los productos de estas espectaculares colisiones nos permite 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 la masa (esto es, inercia) a las partículas conocidas.

l31 00511013 Imágenes del LHC

Con estas altas energías de colisión, empieza para el LHC un nuevo período, en el que se lanza a “la caza de la materia oscura, las nuevas fuerzas, las nuevas dimensiones y el bosón de Higgs” y, quién sabe, qué cosas más podrán aparecder de esta joya de la técnica moderna. Incluso nos podría confirmar la existencia de partículas exóticas.

Sin embargo, como gran acontecimiento Humano, y por tanto sociológico, lleva asociado su propia ración de mitología. Leelos 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 cuales son sus limitaciones.

El Acelerador de protones del LHC convierte enormes cantidades de energía eléctrica (de la centrales nucleares francesas) en energía cinética de los protones, de manera que estos llegan a viajar a 0,999999964 veces la velocidad de la luz, correspondiente a unas energías de unas 4000 veces su masa, o aproximadamente 3,5 TeV. Dentro de un par de años (más o menos) se alcanzarán los 7 TeV por ptotón 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 proporciones 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 y la densidad en la colisión es de unos 1022 protones por m3 -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. Más 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 despues de la gran explosión. Aunque las energías intercambiadas en la colisión son similares, éstas ocurren en densidades muchos órdenes de magnitud inferiores a las de la gran explosión y en condiciones físicas radicalmente distintas: totalmente fuera de equilibrio y en un espacio tiempo estático. Es más, a esas temperaturas el universo primitivo estaba compuesto de quarks y gluones -así como de electrones, fotones y neutrinos-, pero no de protones )¡estos aparecen mucho más tarde!). Entonces, ¿en qué sentido podemos decir que el LHC recrea la gran explosión? Al alcanzar la energía que tuvieron lugar en la gran explosión, tenemos acceso controlado y procesos enormemente energéticos que no pueden darse hoy en día en el frio espacio interestelar y, observando los productos de la colision, 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 exsclusivamente de esas cargas y masas que miden los colisionadores como el LHC.

Explosiones de supernova, como la que creó la Nebulosa del Cangrejo (fotografía), podrían ser también fuente  de los rayos cósmicos galácticos. Los rayos cósmicos son núcleos atómicos y electrones que viajan a través de la galaxia a una velocidad cercana a la de la luz. La Vía Láctea está llena de rayos cósmicos. Afortunadamente, la magnetósfera y la atmósfera de nuestro planeta nos protegen de la mayoría de los rayos cósmicos. Aún así, los más poderosos -que pueden llevar consigo mil millones de veces más energía que las partículas creadas dentro de los aceleradores atómicos en la Tierra- producen grandes tormentas de partículas secundarias en nuestra atmósfera que sí pueden alcanzar la superficie de nuestro planeta.

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 procdesos astrofísicos tremendamente violentos que ocurren en el centro de las galaxias activas -tomando energía de la interacción gravitacional en las proximidades de agujeros negros increiblemente 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 pertubar las telecomunicaciones y son medidas en la 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 del control del ser humano: no poemos 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 constituteyentes elementales, como hacen los detectores del LHC.

Resumiendo, la Ciencia busca respuestas a preguntas cada vez más básicas -¿cual es el origen de la masa? ¿qué ocurrió en los primeros instantes del universo? ¿culaes son los constituyentes fundamentales de la materia?- y 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.

Imagen de una colisión de proton-proton a una potencia inigualada de 7 TeV con la producción de 100 partículas cargadas.

Imagen de una colisión de proton-proton a una potencia inigualada de 7 TeV con la producción de 100 partículas cargadas. (CERN) De los escombros de estas colisiones, mediante un profundo estudio por expertos, se llega a saber sobre los componentes básicos de la materia.

Hasta aquí el fragmento del artículo que he trasladado hoy a la página. Están bien explicado los motivos que aconsejan el experimento LHC y sus diferencias con el universo primitivo, pero se deduce que, al no poder recrear aquel universo tal como era entonces, nos tenemos que valer de los aceleradores para poder “saber” lo que pasó en aquellos primeros momentos y, sobre todo, como llegó a formarse la energía y de qué se formó.

A pesar de que el LHC alcanzará los 14 Tev, es aún un acelerador insuficiente para que pueda profundizar hasta esos momentos iniciales, esa zona muerta de la que nadie ha sabido aún dar una respuesta creible. Estamos como siempre, frenado por la distancia de Planck a la que, de momento, no hemos podido llegar y, es precisamente allí, donde podremos contemplar todos y cada uno de los datos que nos faltan para comprender, de una vez por todas, esos secretos de la materia que aún quedan ocultos en una región de oscuridad que no hemos podido alumbrar.

Seguramente, cuando nuestros focos de luz puedan señalar el sitio exacto, lo que allí veamos sea, simplemente, la “materia primordial”, o, dicho de otra manera, eso que llamamos “materia oscura” y que, en realidad, es el material básico de la materia bariónica. Esa materia primigenia que hizo posible la formación de las primeras estrellas y galaxias de nuestro universo, ya que, sin ella, sin su fuerza de gravedad generada, nunca se habría podido retener a la materia de luz, es decir, la bariónica, para que se formaran las estrellas y galalxias del cielo.

¿Hasta donde llegaremos?

 

  1. 1
    floren
    el 20 de mayo del 2011 a las 16:29

    Esta mediodia, salía una chica en Canal Extremadura hablando sobre el movimiento social democracia real ya, y decía que por favor saliese en la prensa y los medios, que ahí se encontraban gente tambien del pp y del psoe, que esto no es un movimiento que promueva ninguna ideología politica, si no una reinvidicación de los derechos de los ciudados, y por tanto deberiamos involucrarnos todos.
    Si poneis en google: elpais iñaki gabilondo, tiene dos o tres videos de 2 minutos o así, que son dignos de escuchar.
    Os pongo un comentario curioso de un señor en un blog:

        La verdad, es que todavía estoy sorprendido porque habéis despertado y aún no es tarde para cambiar todo aquello que consideramos injusto, indecente y manipulado a favor de una sociedad política decadente. Me alegro por vosotros, hijos de los que antaño nos echábamos a la calle reivindicando mejoras sociales que al día de hoy, a golpe de decretazos, nos las han robado. España necesita un cambio social, en los último treinta años de mi vida he vivido lo suficiente como para ver cómo os manipulan y cómo nos han hecho retroceder en derechos sociales que vuestros abuelos consiguieron derramando sudor y lágrimas por las calles y vuestros padres intentaron mantenerlos con sudor y esfuerzo. Ahora todo se ha esfumado en aras de la política capitalista que nos inunda. Sabemos que el modelo capitalista no funciona, cambiémoslo,… yo estaré con vosotros a pesar de mi edad,… os paso el testigo en honor a mis abuelos y con orgullo de tener unos hijos como vosotros que os estremecéis con la indecencia política en la que estamos sumergidos. ADELANTE, ADELANTE, ADELANTE,… podéis cambiar el rumbo y escribir un párrafo en la historia, tal y como hicimos nosotros hace tan solo unos años. ADELANTE COMPAÑEROS, ADELANTE HIJOS,…

    Responder
    • 1.1
      emilio silvera
      el 20 de mayo del 2011 a las 16:35

      Mejor no comentar nada sobre esto. Espéremos al día de las elecciones y allí, en el lugar adecuado, hablaremos.
      Por lo demás…Hay para todos los gustos.
      Hablemos de Física, es menos complicado.

      Responder

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