Así es la máquina de 27 km que recrea el inicio del Universo y que podría encontrar la partícula de Dios
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el instrumento científico más grande del mundo, recrea colisiones de alta energía, para buscar nuevas partículas fundamentales, como el misterioso bosón de Higgs.
En el corazón de la física fundamental, el CERN alberga el instrumento más grande y complejo: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Un túnel circular de 27 kilómetros de circunferencia y obra de ingeniería colosal, con la misión de sondear la estructura de las partículas que componen el universo.
El LHC actúa como un circuito de carreras subatómico, impulsando partículas cargadas, como los protones, a velocidades cercanas a la de la luz; lo que se logra mediante campos electromagnéticos, utilizando radiofrecuencias para aumentar su energía gradualmente.
Tras alcanzar esa velocidad máxima, las partículas son forzadas a chocar frontalmente, lo que permite sumar la energía de ambos haces. Aunque la energía de un solo protón es ínfima en términos cotidianos — similar a un alfiler cayendo dos centímetros — se concentra a una escala infinitesimal.
Esta concentración extrema de energía logra algo asombroso: recrear las condiciones que existieron en el universo tan solo una fracción de segundo después del Big Bang. La famosa ecuación de Einstein, E=mc², nos recuerda que esta energía de colisión se transforma instantáneamente en materia, en forma de nuevas partículas.
Al estudiar estas colisiones, se pueden observar partículas masivas que existen por un instante, como el bosón de Higgs o el quark top. Estos descubrimientos, que ocurren en un abrir y cerrar de ojos, aumentan drásticamente nuestra comprensión sobre la materia y el misterioso origen del cosmos.
La búsqueda de la "Partícula de Dios"
El bosón de Higgs es la pieza fundamental que faltaba en el Modelo Estándar de la física de partículas, la cual fue propuesta por primera vez en 1964 y su existencia se confirmó en el CERN por las colaboraciones ATLAS y CMS en 2012. Su hallazgo puso la teoría electrodébil en bases experimentales sólidas.
Esta partícula, a menudo llamada la "partícula de Dios" en la cultura popular, es en realidad una onda en un campo cuántico invisible que llena todo el universo: el campo de Higgs. Las partículas elementales obtienen su masa al interactuar con este campo, como si fueran vehículos que experimentan fricción al moverse por la carretera.
Detectar el bosón de Higgs es un desafío monumental, a menudo comparado con buscar una aguja en un pajar cósmico. Solamente se produce aproximadamente una vez por cada mil millones de colisiones en el LHC, y su vida es tan corta que decae casi instantáneamente en otras partículas más ligeras.
Como no es posible observar el bosón directamente, los científicos miden con precisión los productos de su desintegración. Analizando estadísticamente volúmenes ingentes de datos, buscan un "pico" en los histogramas de masa invariante, lo que confirma su existencia de manera indirecta, con una certeza llamada "cinco sigmas".
Ingeniería extrema
Imagina que quieres que un péndulo oscile más alto sin darle un empujón fuerte, sino muchos pequeños; algo similar sucede en un acelerador circular como el LHC, donde los protones giran repetidamente, recibiendo un impulso de energía en cada vuelta de parte de estructuras llamadas cavidades de radiofrecuencia.
Para mantener a los protones que viajan a una velocidad cercana a la luz en un circuito de 27 kilómetros, se necesitan campos magnéticos potentísimos. Estos imanes superconductores — enfriados con sistemas criogénicos — enfocan los haces y doblan su trayectoria de manera precisa, donde su control es vital.
La ingeniería es fundamental en el CERN; de hecho, la organización emplea más ingenieros y técnicos que físicos investigadores. Ellos son los responsables de desarrollar y construir estas máquinas gigantescas y complejas, que exigen una precisión sin precedentes en millones de componentes.
La velocidad alcanzada significa que los protones adquieren una energía de 6.5 tera-electronvoltios (TeV) cada uno, generando colisiones de 13 TeV. Aunque esta es una cantidad de energía diminuta a escala humana, al concentrarse en un punto subatómico se logran densidades energéticas comparables a las del universo en sus inicios.
El futuro y la búsqueda de nuevas partículas
El objetivo principal de la física en el CERN es responder las preguntas que el Modelo Estándar, a pesar de su éxito, aún no resuelve. Los científicos buscan nuevas partículas y fenómenos que expliquen el 95% de la masa y energía del universo que, en forma de materia y energía oscuras, es aún desconocido.
Entre los grandes misterios que persisten está la naturaleza de la materia oscura y la razón de por qué la fuerza de la gravedad resulta ser tan débil, en comparación con las otras tres fuerzas fundamentales. El bosón de Higgs, al interactuar con el resto de partículas, se convierte en un laboratorio crucial para esta nueva física.
Una de las búsquedas más prometedoras es ver si el bosón de Higgs se desintegra en partículas "invisibles", que son aquellas que no interactúan con las fuerzas electromagnética, fuerte o débil. Si esto sucede, podría ser la primera evidencia directa para descubrir las esquivas partículas de materia oscura.
El camino apenas comienza y la investigación con el Higgs explora si es una partícula solitaria o si forma parte de un "sector" de Higgs más complejo. Para continuar empujando la frontera del conocimiento, se están planificando el LHC de Alta Luminosidad y futuros aceleradores para después de 2040.