Entendiendo el origen del Universo

Por: Jairo Alexis RodríguezDecano Facultad de Ciencias Universidad Nacional de Colombia

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), cumplió esta semana 10 años de haber sido conectado por primera vez. Gracias a él, se tiene una idea más clara sobre el origen del universo.

El LCH ha servido para responder algunas preguntas básicas que había sobre la física de partículas. Los experimentos que en él se han efectuado han permitido suponer la existencia de nuevas partículas, lo que pondría en cuestión algunos principios básicos de la física y permitirá estudiar con más detalle de qué está hecha la materia oscura. Crédito de la foto: Julian Herzog

Ya ha pasado una década desde que comenzó a funcionar el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), una imponente obra de ingeniería basada en un túnel en circunferencia de 27 km, ubicado en la frontera franco-suiza, en las inmediaciones de Ginebra (Suiza). En él se realiza el experimento más grande del mundo actual, que busca hacer chocar protones acelerados hasta alcanzar casi la velocidad de la luz y detectar lo que sucede cuando esto ocurra.

Un hadrón es una partícula que se encuentra afectada por la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas que la física identifica hoy. Los hadrones pueden ser quarks, fermiones, bosones o gluones, protones y neutrones.

El acelerador de partículas se denomina Gran Colisionador de Hadrones (LHC) porque en él se intentan chocar dos haces de protones que son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99 % de la velocidad de la luz. Aunque el choque se hace a escalas minúsculas –más pequeñas que un átomo–, en ese momento se generan altísimas energías, lo que permite simular eventos ocurridos inmediatamente después del Big Bang, vale decir el estado de alta densidad y temperatura que originó el universo conocido.

En el LHC no se trabaja con otras partículas como electrones, muones, piones, tauones y neutrinos, que no son hadrones, pues estos no están afectados por la fuerza nuclear fuerte.

El acelerador básicamente ha permitido verificar qué tan válido es y qué límites tiene el “modelo estándar”, que es el marco teórico de la física de partículas.

Después de conocer el modelo estándar y hacer una descripción matemática de las fuerzas electromagnética, débil y fuerte, se logra un marco teórico más amplio, que ha resultado ser muy predictivo y acertado hasta el momento: el modelo estándar de partículas.

El bosón de Higgs

En síntesis, el modelo estándar de la física de partículas establece los fundamentos de la manera en que interactúan las partículas y las fuerzas elementales en el universo; es decir, describe el comportamiento de la materia. De hecho, muchas predicciones del modelo estándar de partículas elementales han sido corroboradas en el LHC.

Por ejemplo, en julio de 2012 el LHC permitió comprobar la existencia del bosón de Higgs que el modelo estándar había previsto, y que es, nada más y nada menos, el responsable del origen de la masa en el universo. Esa partícula explica cómo los otros corpúsculos elementales adquieren propiedades como la masa.

Además, la identificación del bosón de Higgs constituyó un paso significativo en la búsqueda de una teoría de la gran unificación, que pretende relacionar tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas: electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, con lo que quedaría pendiente por qué la cuarta fuerza, la gravedad, es tan débil comparada con las otras tres.

En definitiva, el LHC, que depende de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), ha permitido efectuar pequeños Big Bang que nos dan pistas para responder a preguntas fundamentales cuando se trata de conocer el origen del sistema que habitamos hoy, como ¿de qué está hecho el Universo, ¿qué es realmente el universo, cuáles son sus principios básicos?

Nuevos experimentos

Puesto que se trata de entender el origen del universo, la física de partículas es un desafío a la imaginación y la invención humanas.

De manera simultánea a los del LHC están los experimentos que se realizan en los grandes detectores de neutrinos alrededor de todo el mundo. En este caso se intenta dilucidar el funcionamiento de esas partículas indetectables que conocemos como neutrinos, aquellos corpúsculos de materia más abundantes en el universo pero de los que aún hay muchos vacíos a la hora de saber cómo funcionan.

Es por eso que, a pesar del éxito de los trabajos para confirmar muchas de sus predicciones, el modelo estándar de partículas deja muchas preguntas sin resolver.

Tal es el caso de asuntos como la materia oscura, que no involucra la interacción gravitacional, no dice cuál es el origen de la asimetría materia-antimateria, ni dice nada de la llamada energía oscura. Esta se llama así porque, aunque no se ha logrado ver, se sabe que modifica los movimientos de las estrellas.

La comunidad científica ha planteado escenarios y modelos nuevos que van más allá del modelo estándar de partículas y que necesitan ser corroborados con los experimentos.

Actividades en Colombia

Precisamente durante esta semana se ha llevado a cabo el XXXVIII Simposio Internacional Physics in Collision, en la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Colombia.

En este evento participan alrededor de 80 científicos, 50 de ellos internacionales, como el profesor Jim Madsen, uno de los líderes de la colaboración científica IceCube, que gestiona el detector de neutrinos en la Antártida. También estuvo John Ellis, uno de los físicos más importantes en la investigación del bosón de Higgs.

Con ellos participaron Jean Marie Brom, colaborador del experimento CMS, Compact Muon Solenoid (Solenoide de Muones Compacto) en el LHC.

El CMS es uno de los detectores del LHC. En él se detectan las colisiones de protones e iones pesados para recrear las mismas condiciones que existieron poquísimos instantes después del Big Bang. Con ello se pretende buscar otras partículas como el bosón de Higgs, partículas supersimétricas, microagujeros negros y gravitones,

En el evento también participó David Hitlin, reconocido investigador en decaimientos por interacción débil, que es la fuerza responsable de fenómenos naturales como la desintegración radiactiva.

En Colombia ha crecido la investigación en física de partículas elementales y la participación de nuestros investigadores en las grandes colaboraciones científicas es cada vez mayor. Esto nos ha permitido dar pasos importantes en la consolidación de la Red Colombiana de Física de Altas Energías en compañía de universidades aliadas que ya participan en la exploración por medio de la física de colisiones.

Para avanzar en el estudio de construirán aceleradores más grandes y potentes. En 2025 habrá una versión mejorada del LHC y se están proponiendo aceleradores de hasta 100 km de circunferencia en el futuro. Con apoyo de la inteligencia artificial, sistemas de procesamiento de datos más complejos y otras nuevas tecnologías, seguiremos avanzando en nuestro conocimiento sobre el momento del universo y las circunstancias en las que se formaron los núcleos atómicos, para luego iniciar la formación del universo a gran escala como lo conocemos hoy.