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.