Qué buscamos con el Gran Colisionador de Hadrones

En la frontera entre Suiza y Francia, bajo los sembrados en verano y las nieves en invierno, se encuentra el agujero más grande y más caro del mundo. El agujero, hogar subterráneo de la maquinaria que integra el Gran Colisionador de Hadrones, tiene 27 kilómetros de circunferencia con tramos a distintas profundidades que van hasta los 175 metros. Más de 10,000 científicos de 100 países (México entre ellos) han participado en la construcción de esa maquinaria, si no del túnel, que ya estaba (antes albergaba otro acelerador de partículas).

El Gran Colisionador de Hadrones sirve para hacer chocar hadrones, como su nombre indica. Los físicos llamamos hadrón (de hadrós, "robusto, grueso, fuerte") a cualquier partícula hecha de elementos más pequeños llamados quarks. Se llaman así porque los quarks están pegados por la llamada fuerza fuerte, una de las cuatro maneras en que pueden interactuar los objetos en este universo. Los hadrones más conocidos son los protones y neutrones de los núcleos atómicos. En el Gran Colisionador de Hadrones se genera un haz de protones y uno de antiprotones (protones de carga negativa) que giran en direcciones contrarias, ganando energía a cada vuelta hasta alcanzar los 7,000 millones de electrón-volts, la energía máxima que este aparato impartirá a cada partícula cuando empiece a operar a su máxima potencia, en 2012. Por el momento, lo tienen operando a la mitad de su capacidad.

Siete mil millones de electrón-volts suena impresionante, pero sólo mientras uno no sepa cuánto vale un electrón-volt. Resulta que el eV es una unidad de energía muy pequeña, útil para tratar con partículas subatómicas, pero engorrosa si se usa con objetos macroscópicos...como un mosquito, por ejemplo. Un mosquito que vuela a una velocidad de 3 centímetros por segundo tiene una energía igual a la de los protones y antiprotones del Gran Colisionador de Hadrones. Es una energía muy pequeña en la escala macroscópica, pero concentrada en un pequeñísimo protón (que pesa mil millones de trillones menos que un mosquito) lanza a esta partícula a velocidades muy cercanas a la de la luz. Alcanzada esta energía, los operadores del aparato hacen coincidir los rayos y...

Este experimento tan brutal tiene alcurnia. En 1910, cuando todos los físicos aceptaban que la materia estaba hecha de átomos pero nadie sabía qué cara tenían éstos, el físico neozelandés Ernest Rutherford ideó un experimento para hurgar en el átomo. No hacía mucho se habían descubierto sustancias que espontáneamente despedían trocitos de materia en forma de partículas muy pequeñas a grandes velocidades. Ernest Rutherford aprovechó la radiactividad, como se llamó a este fenómeno, para acribillar una hoja de oro muy delgada con la esperanza de que los proyectiles radiactivos chocaran con los átomos de oro y salieran despedidos en distintas direcciones. Rutherford esperaba poder reconstruir los hechos a partir de la distribución estadística de los proyectiles dispersados (incluso tuvo que tomar un curso de estadística para hacerlo). Se esperaba que la mayoría de los proyectiles (partículas alfa) salieran indemnes de su paso por la hoja de oro y que, por lo tanto, llegaran como si nada al otro lado. Rutherford colocó detectores directamente detrás de la hoja de oro. Un buen científico nunca está seguro de nada, o más bien debe reducir al mínimo las suposiciones infundadas. No se esperaba encontrar partículas que rebotaran sobre los átomos de oro y salieran disparadas hacia atrás, pero esa expectativa no tenía más fundamento que la ignorancia de los científicos. Por si acaso, Rutherford colocó detectores en la posición correspondiente y cuando se hizo el experimento, muchas partículas terminaron ahí. "Es como si una bala de cañón rebotara sobre un pañuelo", dijo Rutherford después. Y de ese resultado asombroso se deducía que el peso del átomo estaba concentrado en una región muy pequeña, lo que más tarde se llamó el núcleo.

Los aceleradores de partículas, que existen desde los años 30, son experimentos de Rutherford. Mientras más rápido vayan los proyectiles, más fina es la resolución del experimento y más pequeña es la región que permite atisbar. Los aceleradores de los años 80 permitieron ver, ya no la forma del átomo, sino lo que contienen los protones y neutrones de los que el átomo está formado.

Al mismo tiempo que hacían experimentos y descubrían nuevas partículas elementales, los físicos iban construyendo una teoría cada vez más completa para explicar qué es la materia y de dónde vienen las propiedades de todo. La teoría se llama Modelo Estándar, y es la descripción más completa y profunda del mundo que puede ofrecer la física hasta hoy. Para construir una teoría así, los físicos toman datos de los experimentos y los organizan en una estructura teórica coherente. La teoría hace predicciones: por ejemplo, si las cosas son así y asá, entonces debería existir también tal partícula con características tal y cual. Luego los físicos salen a buscar esas partículas.

El Gran Colisionador de Hadrones se construyó para buscar una de estas partículas predichas por el Modelo Estándar, llamada bosón de Higgs. Si el Modelo Estándar es correcto, debería existir, pero para poder crearlo había que construir un acelerador más potente que todos los demás. Ya está construido, pero el aparato ha tenido problemas, como se sabe. Con todo, el 30 de marzo se echó a andar el acelerador a la mitad de su energía máxima durante varias horas, lo que bastó para establecer un récord de energía en colisiones de partículas elementales, pero probablemente no bastará para producir bosones de Higgs. De momento, por prudencia, el Gran Colisionador de Hadrones estará operando a baja energía. A fin de 2010 se detendrá por un año. En 2012 por fin, si todo va bien, funcionará a toda galleta y veremos lo que veremos.

Pueden suceder tres cosas: 1) aparece el bosón de Higgs y nada más; 2) aparece el bosón de Higgs y fenómenos inesperados, y 3) no aparece el bosón de Higgs. De estas posibilidades la peor sería, sin duda... que sólo apareciera el bosón de Higgs. Cualquiera de las otras dos ofrece nuevos caminos para la física, en cambio la simple confirmación es una especie de callejón sin salida (ver mi blog en inglés Space-Time Chronicles).