miércoles, septiembre 03, 2008

Y Dios dijo hágase el Big Bang

--¿Así que el CERN tiene un acelerador de partículas? Un tubo circular para romper partículas-- pensó Langdon, mientras el ascensor bajaba. Cuando el ascensor paró, se sintió aliviado de tener tierra firme bajo los pies, pero cuando las puertas se abrieron, su alivio se evaporó. Robert Langdon se encontró ante un mundo totalmente desconocido.

En “Angeles y demonios” Dan Brown arranca su trama de intrigas y conspiraciones con un asesinato en las entrañas mismas del Gran Colisionador de Hadrones. El centro de la trama de la novela es la lucha entre la iglesia y la ciencia por determinar quien o que creo el Universo. La anécdota de la novela retoma el largo debate que la humanidad ha mantenido desde la edad media. Dicho debate representa una larga cadena de encuentros y desencuentros algunos simples y otros bastante trágicos pues desembocaron en el encarcelamiento o muerte de algunos de sus actores, normalmente del bando de los científicos.

Un ejemplo de ello es Giordano Bruno, un sacerdote italiano interesado por la ciencia y filosofía. Durante su vida viajo por toda Europa enseñando sus teorías. Escribió muchos trabajos en latín sobre cosmología, física, magia y el arte de la memoria. Demostró, aunque con un método equivocado, que el Sol es más grande que la Tierra.

Fue apresado por la inquisición en 1591 y en 1601 la iglesia romana lo declaro herético impenitente, pertinaz y obstinado. Murió en la hoguera sin arrepentirse de sus ideas. La historia le ha convertido en mártir de la ciencia por la defensa que hiciera de las ideas heliocentristas,

Tal vez el caso más conocido es el de Galileo Galilei, físico, astrónomo del renacimiento italiano fue sentenciado por la Santa Inquisición debido a la divulgación que hizó de las ideas copernicanas del heliocentrismo. Ante la posibilidad de ser sentenciado a muerte la historia cuenta que se retracto frente a los religiosos que lo enjuiciaban. Sin embargo la iglesia lo condeno a permanecer encerrado en su casa por el resto de sus días.

Los tiempos cambian y desde hace 116 años el Vaticano cuenta con su propio centro de investigación cósmica: el Observatorio Astronómico Vaticano. Su sede original en Castelgandolfo ha cedido la primogenitura al moderno Telescopio Vaticano de Tecnología Avanzada ubicado en Arizona, Estados Unidos. El sitio Internet del Observatorio indica que su misión es ser un puente entre la iglesia y la ciencia.

El director el Observatorio es Monseñor Jose Funes, un sacerdote argentino perteneciente a la Orden de los Jesuitas a cuyo cargo esta la operación del centro. Además de los votos del sacerdocio, monseñor Funes ostenta un doctorado en astronomía por la Universidad de Padua. A caballo entre la fe y la ciencia, monseñor Funes declaraba en septiembre del año pasado “ Ha habido y habrá conflictos entre la ciencia y la iglesia. Pero no hay que temer a los conflictos, ya que pueden superarse y nos ayudan a crecer.

Para José Funes la investigación cosmológica es perfectamente coherente con la fe. “”El Big Bang no esta en contradicción con la existencia de un Dios que creo el Universo a partir de la nada. Es verdad que el Big Bang no es la prueba de la existencia de Dios, pero tampoco la niega”

En el Islam, la idea del Big Bang tampoco se contrapone a las revelaciones del Coran donde se lee “¿Es que no han visto los infieles que los cielos y la tierra formaban un todo homogéneo y los separamos? (coran 21:30)” mas adelante el profeta habla de que “el cielo lo construimos con fuerza. Y, ciertamente, asignamos un vasto espacio” (51:47) .

Sin embargo el fantasma de la iglesia interviniendo con la ciencia parece rondar todavía en los pasillos del vaticano. Según Steve Hawkin en su libro “la Historia del Tiempo “en 1981, el papa Juan Pablo II recomendó a los asistentes a una conferencia sobre cosmología organizada por el vaticano “estudiar la evolución del Universo después del Big Bang , pero que no indagar en el Big Bang mismo, porque se trata del momento de la creación y por lo tanto de la obra de Dios” el Papa Juan Pablo II dirigió estas palabras a los asistentes a una conferencia sobre cosmología organizada por el vaticano, entre ellos se encontraba Stephen Hawkin quien recogió la anecdota en su libro “Historia del Tiempo”

Por una coincidencia del destino Hawkin nació exactamente en el 300 aniversario de la muerte de Galileo Galilei. En “la historia del Tiempo”, el más celebre de los cosmólogos relativistas se alegra que su encuentro con la iglesia hubiera sido mucho más afortunado que el de su antecesor.

Una pregunta sin respuesta

El Dr. Gustav Tammann se alegra cuando termina la entrevista “ Normalmente, cuando se entrevista a un astrónomo surge la pegunta de cómo era el Universo antes del Big Bang o las causas de ese fenómeno . Estoy convencido de que esa es una de las cosas que la raza humana jamás entenderá. Encuentro interesante que muchos investigadores admitan que hay preguntas que nunca podrán ser contestadas. Teóricamente podemos plantear 20 posibilidades, pero el método científico no nos permitirá distinguir con precisión cual es la correcta.

martes, septiembre 02, 2008

Partículas divinas

Quién creó el Universo es una pregunta delicada cuando se estudia el proceso que conformó el cosmos. Hasta este momento sólo conocemos los ladrillos que lo constituyen (las partículas elementales) y las “Manos” que colocaron dichos ladrillos y que hoy en día los mantienen en su sitio (las fuerzas elementales). Todo este conocimiento se encuentra acomodado en lo que los físicos llaman el modelo estándar, una propuesta teórica creada a principios de los años 70’s y que después de 30 años de comprobación experimental resulta muy exacto.

“Hasta mediados del siglo pasado, la vida era relativamente fácil para los físicos que se dedicaban a estudiar los átomos y las partículas fundamentales que los componen” -- escribe el físico y divulgador mexicano Shahen Hacyan. – Se pensaba que los ladrillos básicos de la materia eran los protones y neutrones acurrucados en el núcleo mientras que nubes de electrones volaban a su alrededor. Para estudiar un átomo o su núcleo bastaba con hacerlo chocar con otro para romperlo y estudiar los escombros. Cuando en 1950, el avance de la tecnología permito incrementar la energía de esas colisiones, el modelo atómico se hizo mil pedazos, literalmente.

Luís Cabral Rosetti, Físico de Partículas del Instituto Avanzado de Cosmología, explica que para sorpresa de los investigadores, los experimentos con aceleradores revelaron una variada “zoología” de partículas subatómicas. Para principios de los años 60´s los tipos de partículas alcanzaban el centenar. El sentir de los físicos quedó para la posteridad cuando a Enrico Fermi, uno de los físicos responsables del Proyecto Manhattan, le preguntaron su opinión sobre la partícula K02. El Dr. Fermi miró a su interlocutor y le dijo: “Joven, si tuviera la capacidad de recordar todos esas partículas habría sido botánico”.

En un esfuerzo por ordenar toda la información encontrada, tres físicos (Winberg, Glasgow y Salam) establecieron a principios de los 70´s el llamado Modelo Estándar de partículas y fuerzas. Un estuche donde se acomodan 12 piezas básicas que construyen el Universo y tres de las cuatro fuerzas que las gobiernan.

Todo la materia que nos rodea esta compuesta por dos tipos de partículas o piezas fundamentales--- explica el Dr. Cabral--- la familia de los Quarks (que agrupados forman los protones y neutrones) y la familia de los Leptones ( uno de los cuales es el electrón). Como toda familia, las partículas se organizan en parejas y a su vez en generaciones de parejas, tres para ser exactos. De la misma manera que el matrimonio de los abuelos engendra a los hijos y el matrimonio de estos a los nietos. Las partículas más antiguas, más pesadas y menos estables, al decaer dan origen a una siguiente generación más estable y ligera. Actualmente en la naturaleza a nuestro alcance solo esta presente la última generación. La “genealogía” de las partículas subatómicas fue descubierta mediante los experimentos con aceleradores.

Para que los ladrillos fundamentales se acomoden y se queden en su lugar se requieren fuerzas que obren sobre ellos para construir un cosmos. Junto con las partículas encontramos las 4 fuerzas fundamentales cuya función es unir y controlar la materia y la energía del Universo. Cada una posee diferente fuerza y diferente alcance: la electromagnética, de largo alcance, esto significa que lo mismo es perceptible a escala subatómica que en el macrocosmos que habitamos. Es responsable de las interacciones entre partículas con carga, como por ejemplo el mantener a los átomos e una molécula unidos. La fuerza fuerte y la fuerza débil operan a muy corto alcance, es decir a escala cuántica. La fuerza fuerte es la que mantiene unidos a los Quarks para formar un protón. La llamada fuerza débil esta presente en los procesos de radiación natural como la del uranio o la del plutonio. La última fuerza fundamental es la gravedad que afecta el cosmos a escala planetaria pero su influencia es despreciable a nivel cuántico, una situación bastante fortuita pues hasta ahora no se ha podido incluir en el modelo estándar.

Para que exista un campo de alguna de las cuatro fuerzas, quarks y leptones deben interactuar a través de una partícula portadora, llamada bosón. Para cada fuerza existe un bozón particular, el más conocido es el Fotón, portador de la fuerza electromagnética en fenómenos como la luz., la fuerza fuerte tiene el Gluón (de glue = pegamento) llamado así por ser el pegamento que conforma los protones, la fuerza débil existe por las interacciones del bozón W y el bosón Z.

El modelo Estándar es una sólida teoría que exitosamente explica una gran cantidad de fenómenos. “El modelo resulta tan bueno que hasta es aburrido” bromea el Dr. Guy Paic al enfatizar la perfección con que el modelo predice las partículas y fuerzas que forman nuestro Universo. Sin embargo, aun no lo hemos visto todo, en la cajita del modelo estándar todavía encontramos huecos en los que se dibuja el contorno de la pieza experimental que allí debemos acomodar. El más visible de todos es la masa.
De acuerdo con nuestro instructivo teórico, ninguna de las partículas elementales deberían tener masa, el Universo tendría que ser insustancial como la luz. Para remediar este pequeño olvido, el físico Peter Higgs propuso en 1960 que entre las fuerzas que rigen la física del cosmos debía existir un campo omnipresente en el Universo cuyo “soplo divino” sobre las partículas las haría pesadas y lentas. El portador del campo de Higgs es conocido como el Bosón de Higgs, también llamado “la Partícula Divina” pues su interacción con los quarks y leptones es lo que les confiere masa, transformando la energía en materia. Su existencia es fundamental para el modelo que hemos creado de nuestro Universo. Pese a todos nuestros esfuerzos aun no se ha podido detectar.

Mirando lo invisible

Para atestiguar las colisiones de entre cuyos restos emergerá la partícula divina el CMS, uno de los cuatro gigantescos detectores instalados en cavernas subterráneas excavadas alrededor de los cuatro puntos de colisión con que cuenta el LHC.

El propósito de los detectores es identificar las partículas secundarias producidas durante las colisiones, explica Guy Paic Los parámetros que permiten determinar la naturaleza de una partícula son la trayectoria descrita a partir del momento de impacto, la carga eléctrica, velocidad, masa y energía. Para lograr esto, los detectores están construidos en capas o subdetectores cada uno de los cuales con un rol muy particular en la reconstrucción de la colisión. Un sistema magnético se encarga de separar las diferentes partículas de acuerdo a su carga eléctrica para determinar el momento, una magnitud relacionada con la masa y velocidad de la partícula.

En las diferentes capas del detector se acomodan dos tipos instrumentos. Uno son los detectores de trayectoria, normalmente una serie de fibras sensoras que identifican el punto y momento en que una partícula las toca para después al relacionar las señales e todos los filamentos se reconstruye la velocidad y trayectoria de la partícula. El otro es un calorímetro instrumentos que analizan la energía de la partícula deteniéndola y midiendo la cantidad de energía que se libera.

Los detectores tienen la forma de un barril con tapas en sus extremos. De esta manera no queda espacio sin instrumenta alrededor del punto de impacto lo que impide que alguna partícula pueda escapar sin ser detectada explica el CERN en su kit de prensa.

Los detectores de LHC son:

ATLAS (A Toroidal LHC Aparatus), el más grande detector jamás construido. Su principal característica es un sistema de magnetos en forma de dona que rodea el punto de impacto. Esta diseñado para detectar una gran variedad de fenómenos por lo que se conoce como un detector de propósito general.

LHCb (Large Hadron Collider Bottom) tiene como misión estudiar la antimateria con el fin de entender porque nuestro Universo “eligió” conformarse de materia y no antimateria.

El CMS (Compact Muón Selenoid) es el otro detector multipropósito del LHC. Su labor más importante será encontrar el milagroso bosón de Higgs. A pesar de que el numero de colisiones será muy grande, la producción de de “partículas divinas será muy peque, lo que requerirá de 2 a tres años de experimentación a fin de tener los suficientes datos para determinar si la esquiva partícula tuvo a bien presentarse.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) tendrá a su cargo mirar la creación. En su interior protones de plomo colisionaran para producir el plasma quark – gluón la sopa de partículas a partir de la cual nuestro Universo evolucionó a ser lo que es.

lunes, septiembre 01, 2008

Y en el principio, ¿quién dijo hágase la luz?


La decisión de ser astrónomo la tomé a los cuatro años a causa de una experiencia traumática” -- explica Gustav Tammann, uno de los astrónomos más reconocidos a nivel mundial -- “A los cuatro años me dijeron que Dios estaba en el cielo. Lo traumático es que cuando miras al cielo, no puedes verlo. Entonces pensé: ‘Él debe de estar más lejos, por eso no puedo verlo’. Así que me hice astrónomo para ver más lejos”.

Contrario a lo que afirma el Dr. Tammann, parece que la mano divina no habrá de encontrarse en la inmensidad del espacio exterior, sino en las profundidades de un túnel circular excavado 100 metros bajo la frontera entre Suiza y Francia. El túnel, de 8.6 Km de diámetro, alberga la que probablemente es la máquina más grande construida por el ser humano. Su función primordial es manipular partículas atómicas para con ellas producir una región en el espacio con una densidad tan alta que vuelvan a ser como eran en el principio, un “caldo” de partículas fundamentales. En condiciones de alta densidad y alta energía los átomos se desmenuzan en sus partículas fundamentales, un fenómeno que nuestro Universo no ha visto desde los tiempos de su creación durante el Big Bang

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en inglés) es operada por el Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (CERN) y es a la vez un microscopio y una máquina del tiempo. Para conseguir abrir esta diminuta ventana al pasado se requiere un equipo compuesto por 100 mil toneladas de instrumentos científicos. Miles de componentes se organizan en complejo mecano con piezas que van desde un chip de computadora hasta máquinas con el tamaño suficiente para ocupar la mitad de la Catedral Metropolitana de la Ciudad de México. Las partes provienen de todos los continentes y han sido diseñados con una precisión tan grande que el grado de error es de centésimas de milímetro, de ello depende poder manejar y observar partículas que están por debajo de la escala atómica. Hasta el momento el esfuerzo ha requerido de una inversión de tres mil millones de euros y años de arduo trabajo. No es una labor sencilla, subraya Guy Paic, uno de los 40 investigadores mexicanos que participan en el proyecto “la ingeniería tiene que ser gigantesca para que funcione lo infinitesimal”

Cuando se le pregunta al Dr. Paic por el objetivo de un esfuerzo tan grande, su respuesta es el fundamento mismo de la ciencia: “el deseo humano de conocer”. Desde los observatorios en Chichen Itza hasta el telescopio Hubble, el ser humano ha buscado la respuesta a dos preguntas fundamentales ¿Cómo se creó el Universo? Y ¿Por qué llego a ser lo que es?

El Túnel del Tiempo

Enrique Fernández, Investigador de la Universidad Autónoma de Barcelona y presidente del Comité de política científica del CERN explica que la física de partículas y la comprensión de la creación del Universo están íntimamente unidas. La conexión lógica es el Big Bang porque en la época inicial del cosmos las partículas elementales estaban libres y las propiedades de ese momento determinaron en gran medida la forma y estructura tanto del cosmos cuántico como el macrocosmos.

Si hemos hecho bien la tarea, parecer ser que todo comenzó hace aproximadamente 13,700 millones de años, cuando todo lo que conocemos, y aun lo que desconocemos, se apretujaba en minúsculo punto no más grande que un átomo. En un instante, ésta mota superdensa de materia y energía estalló en un fabuloso ¡bang! Y el Universo comenzó a existir.

La receta para recrear la creación es aparentemente sencilla, solo tenemos que concentrar la mayor cantidad de energía que podamos en el menor espacio posible. A lo largo de 50 años de experimentos, los científicos han encontrado que la manera más fácil de lograr esto radica en usar la fuerza bruta, es hacer chocar las partículas. Pero conseguir este formidable “apretón” no es nada sencillo, las dimensiones y complejidad del LHC son un claro ejemplo de ello.


El LHC es una pista de carreras de dos sentidos con 27 km de circunferencia. Las características de esta pista la hacen la más especial del mundo. Para empezar tenemos a los corredores. Un acelerador como el LHC solo puede acelerar cierto tipo de partículas: Requieren ser partículas con carga eléctrica pues debido a su tamaño solo pueden ser manipuladas a través de campos electromagnéticos. En segundo lugar deben ser estables pues no queremos empezar la carrera con un tipo de corredor y terminarlo con una persona totalmente distinta. Los requisitos nos dejan con dos candidatos: electrones y protones. Siendo estos últimos los de mayor densidad y siendo la densidad un factor fundamental en el experimento, los elegidos para contarnos el secreto de la creación son los protones.

Las propiedades de los corredores imponen a la pista una serie de requisitos muy específicos. Debe estar libre de cualquier obstáculo, dentro del Gran Colisionador de Hadrones estará el espacio más vacío del sistema solar. Para evitar que el haz de protones choque con moléculas de gas, el interior del HCL esta al ultra alto vacío, algo similar a lo que podemos encontrar en el espacio interplanetario explican los comunicadores el CERN.

El corazón del LHC son dos tubos que recorren los 27 kilómetros del túnel. Es justamente dentro de los tubos por donde vuelan en sentidos opuestos paquetes de protones. Los tubos se encuentran cubiertos por una armadura compuesta de 9300 electroimanes superconductores cuya función es acelerar los protones, guiar el haz de partículas para mantenerlo dentro de la “carretera” y finalmente comprimir el haz a fin de lograr la mayor cantidad de impactos..

Los electroimanes representaron el mayor reto en el diseño del Colisionador debido a que el máximo de aceleración posible es directamente proporcional a la fuerza el campo magnético. Electroimanes normales no resultan prácticos para las necesidades de la máquina. Los usados en el LHC están hechos con cables de una aleación de titanio y niobio que al ser enfriados a -263 grados centígrados se vuelven superconductores, esto es pueden conducir la electricidad sin resistencia alguna. Una vez que el LHC este listo, el sistema criogénico será el más grande refrigerador del mundo utilizando helio liquido enfriado para mantener los imanes en su temperatura óptima de funcionamiento.

Los partículas utilizadas en el Colisionador serán protones de hidrogeno o plomo. Una vez extraídos de sus átomos originales, los protones son acelerados encendiendo los duoplos (los electroimanes) en secuencia a fin de “jalarlos”. Es como si a un grupo de adolescentes les pusiéramos a Salma Hayek al final de una calle, explica el Dr. Arturo Menchaca, investigador del Instituto de Física de la UNAM y miembro del equipo mexicano que colabora en la construcción del Colisionador. Los muchachos comenzarían a correr hacia ella. Cuando estuvieran a punto de alcanzarla, la ponemos un poco más adelante. Conforme los muchachos toman velocidad, movemos a la señorita Hayek más rápidamente, lo que forzaría al grupo de adolescentes a moverse cada vez con mayor velocidad y mayor energía. Ponga usted esto en una calle circular y tendrá un acelerador.

Una vez funcionando a potencia completa, dentro de uno de los tubos, trillones de protones recorrerán 11,245 veces por segundo el anillo del LHC viajando a un 99.99% de la velocidad de la luz. En el otro tubo un grupo igual recorre la circunferencia en sentido opuesto. En cuatro puntos del anillo, las dos vías del Colisionador se intersectan para hacer chocar los paquetes de protones. Al momento del impacto, la energía generada por los dos trenes de partículas provocara niveles de densidad y temperatura similares al los existentes durante el Big Bang y por un instante se creará un caldo denso y energético en el que existirán libres, las partículas fundamentales que crearon el Universo.