¿Qué tienen en común las partículas subatómicas y las estrellas?

Una máquina de 10,000 millones de dólares que rompe partículas se apagará este fin de semana para tomar unas “vacaciones” en su túnel de 27 kilómetros en la frontera entre Francia y Suiza, mientras recibe mantenimiento y mejoras. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), uno de los experimentos científicos más importantes del mundo,  suspenderá operaciones entre 2014 y 2015 .

¿Y a ti qué te importa?

Varios usuarios que escriben sus comentarios en CNN.com perciben el proyecto como un “derroche” de dinero para la exploración científica (quizá tú lo veas así). Eso se debe a que los experimentos en el LHC están lejos de la vida cotidiana e incluso más del estudio de las estrellas.

“Todos somos, de alguna forma, científicos amateur. Todos vemos hacia las estrellas y nos preguntamos cómo funciona el universo”, dice Joel Primack, profesor de Física y Astrofísica en la Universidad de California, Santa Cruz. “(Pero) las personas no son físicos de partículas amateur”.

Nuestra ventana al espacio exterior es evidente y asombrosa. Podemos ver el lanzamiento de naves espaciales y telescopios, y podemos admirar las imágenes que éstos envían de vuelta.

Pero el espacio interior, conjunto de ladrillos que construyen todo a una escala ridículamente pequeña, no es visible. Mucho de nuestro entendimiento está basado en la teoría y la probabilidad. Incluso el logro más grande del LHC es incierto; solo podemos decir que se encontró una partícula similar a una entidad teóricamente conocida: el bosón de Higgs.

Pero explorar tanto las cosas pequeñas como los grandes objetos lejanos es igual de importante para comprender el mundo en el que vivimos, dicen los científicos.

“Realmente la teoría básica es que comprender a las partículas y las interacciones nos ayuda a entender la evolución y la estructura de todo el universo, y quizá nos ofrezca tecnologías que nos permitan explorarlo de manera más eficiente y resolver problemas de energía, y así sucesivamente”, dice Joe Incandela, vocero del experimento Solenoide Compacto de Muones (CMS, por sus siglas en inglés) del Gran Colisionador, un detector de partículas.

De qué está hecho el universo

En las últimas décadas, los científicos han concluido que los átomos componen solo el 5% del universo; o en otras palabras las cosas que vemos y conocemos. Eso significa que el resto es algo que no podemos ver. Un 71% es algo llamado “energía oscura” y otro 24% es “materia oscura”.

La investigación que se lleva a cabo es precisamente para determinar qué compone eso “oscuro”, porque no interactúa directamente con la materia y jamás ha sido detectada.

Pero la estructura del universo a gran escala depende de la materia oscura. “Sin la materia oscura las estrellas no podrían volar”, explica Adam Riess, físico de la Universidad Johns Hopkins y el Instituto de Ciencia Telescópica Espacial.

Se cree que la energía oscura es responsable de acelerar la expansión del universo, y Reiss, ganador del premio Nobel, apoya esta teoría. En principio, este fenómeno está en todas partes, pero ¿cómo podemos encontrarlo?

Qué buscan realmente los físicos de partículas

Todo espacio entre las estrellas de ninguna manera está vacío. Los físicos de partículas esperan entender mejor el espacio-tiempo, la tela del Universo.

Estas partículas están escondidas detrás de la tela que normalmente no vemos, pero con energía suficiente podemos evidenciarlas, explica Incandela.

Los científicos esperan encontrar estas partículas aún no vistas porque les ayudará a llenar espacios en el Modelo Estándar de la física de partículas. Y el LHC pretende hallarlas a través de la colisión de partículas por medio de una gran cantidad energía.

La partícula que ha llegado a los titulares recientemente es el bosón de Higgs, conocida como la partícula de Dios, un término que muchos científicos odian.

El físico Leon Lederman, ganador del premio Nobel, escribió un libro cuyo título contenía el término partícula de Dios, pero recientemente confesó que quería llamarla la partícula maldita por Dios. Ésta es  un componente de algo llamado campo de Higgs . Brian Green, un físico teórico de la Universidad de Colombia, lo describe así:

“Puedes pensar en este como un baño de melaza invisible, pero aún así estamos inmerso en él”, dijo. “Y a medida que las partículas como los electrones intentan moverse por la melaza experimentan resistencia. Y esa resistencia es lo que, en nuestro mundo cotidiano, conocemos como masa del electrón”.

Sin esta “sustancia”, hecha de partículas de Higgs, el electrón no tendría masa, y no existiría. Sin embargo, no es una metáfora perfecta; no nos sentimos pegajosos.

La energía de colisión en el LHC llegó hasta los 8 TeV (teraelectronvoltios) en 2012, un récord. Después de dos años, regresará con 13 TeV.

Con una mayor energía podría ser posible detectar a la materia oscura, aprender más propiedades de la partícula y encontrar evidencia de otras dimensiones y, quizá, descubrir que la gravedad misma tiene una partícula.

“Si quieres entender lo grande, debes comprender lo pequeño”, dice Primack.

La materia oscura y la energía

Primack propuso una idea para la materia oscura en 1982 que aún permanece: la idea de que la supersimetría es responsable de  la materia oscura .

Eso quiere decir que por cada partícula que conocemos, incluso el Higgs, hay otra partícula con interacciones similares, pero que es más masiva. Todas estas partículas compañeras son inestables, a excepción de la más ligera, que no puede descomponerse en nada más. La materia oscura sería esta partícula ligera, llamada partícula interactiva débil masiva (WIMP, por sus siglas en inglés).

Hay varios experimentos poco conocidos en el mundo que pretenden detectar estas WIMPs, como el LUX Dark Matter en las Colinas Negras de Dakota del Sur, donde hay xenón almacenado a 1.6 kilómetros bajo tierra.

Experimentos similares incluyen al Xenon 10 en la montaña de Gran Sasso, en el centro de Italia. Incluso, los científicos han ido más allá con el experimento PandaX en el laboratorio bajo tierra Jin Ping, en China, localizado 2.5 kilómetros bajo tierra.

El principio detrás de estos experimentos es que las partículas que golpean al xenón causan que el núcleo del átomo emane un poco de luz. Al examinar el resultado de la carga y la luz que produce esta colisión, los investigadores pueden determinar si hay materia oscura involucrada, al menos en teoría.

Estos experimentos suceden al mismo tiempo que el LHC colisiona partículas. “Se siente como si estuviéramos a punto de lograr un gran descubrimiento”, dice Primack.

Mientras, en el espacio, los científicos intentan buscar señales de materia y energía oscuras. Riess y sus colegas usaron el telescopio espacial Hubble para medir supernovas lejanas y demostrar que la energía oscura debe ser responsable de la expansión cada vez más acelerada del universo.  Por eso ganaron el Nobel en 2011 .

El telescopio James Webb, que costó unos 8,000 millones de dólares, sucederá al Hubble. El diámetro del espejo del artefacto mide unos 6.4 metros, seis veces más que el de su antecesor.

Entre otras cosas, este también pretende encontrar evidencia de energía y materia oscuras.

“Hay una gran sinergia aquí, en los astrónomos que intentan encontrar la influencia de la materia oscura y mapear las estrellas y galaxias y las grandes estructuras del universo, y los físicos de partículas que intentan descubrir la fuente de esa influencia de la materia oscura a través de partículas subatómicas aquí en la Tierra”, dice Jason Kalirai, del Instituto de Ciencia Telescópica Espacial.

La tecnología próxima

La pregunta permanece: ¿De qué sirve todo esto? Existe la pura satisfacción de tener un conocimiento más amplio del universo en que vivimos.

“Es solo una de las cosas que distinguen a la humanidad, que realmente podemos responder preguntas que son profundas y fundamentales, hacer predicciones y ciencia, y que realmente funciona”, dice Lisa Randall, profesora de física en la Universidad de Harvard.

También considera que toda la tecnología que conoces partió de la investigación, inicialmente percibida como esoterismo. Las luces eléctricas —de hecho toda la electricidad— surgieron de la investigación del siglo XIX.

Las computadores y los transistores provienen del entendimiento de la mecánica cuántica de la década de 1920 y 1930, dice Incandela.

Ciertamente, Einstein no sabía que sus teorías de la relatividad serían útiles para los sistemas GPS en los teléfonos inteligentes. Los relojes atómicos en los satélites deben corregirse porque, según las predicciones de Einstein, los objetos espaciales se mueven en un “tiempo” diferente relativo al observador en la Tierra.

Incluso la World Wide Web surgió de la propuesta de sir Timothy Berners-Lee, quien fue físico del CERN en 1980. Esencialmente, la razón por la cual tenemos este internet que tanto amamos es porque Berners-Lee quería mejorar la comunicación entre los físicos de ese laboratorio.

Probablemente, dice Primack, también vendrán cosas útiles de la búsqueda de materia y energía oscuras, y de las otras partículas que está cazando el LHC. Nadie sabe qué utilidad tendrá, pero tampoco nadie predijo que la web surgiría del laboratorio de un físico de partículas. El CERN es de hecho el laboratorio que alberga el colisionador.

Nada es seguro, por supuesto, pero al menos es probable que hacer pura ciencia ayudará a crear la tecnología que ahora parece pura ciencia ficción.

“Si realmente vamos a explorar el universo, en términos e movernos a través del universo y tener la capacidad de hacer exploración espacial como lo vemos en las películas, por decirlo de alguna forma, cosas como en Star Trek, en principio necesitaremos entender y tener la capacidad de emplear el potencial de la naturaleza a un nivel que no conocemos aún”, dice Incandela.