El LHC y el Big Bang

Bueno, ya estoy de vuelta tras mi pequeño retiro forzoso. Ya iré contestando poco a poco a los correos y comentarios que hay por ahí pendientes. Pero lo primero, es actualizar este vuestro blog. Y hoy lo haré con un tema que ha estado dando vueltas un tiempo, y que recientemente a vuelto a ser noticia debido a su inaguración. Me refiero al nuevo e inmenso acelerador de partículas de CERN, el Large Hadron Collider (Gran Colisionador de Hadrones), o LHC para los amigos.

No, aunque decepcionaré a algunos, no voy a hablar sobre la polémica de si podría destruir el mundo, sino de algo mucho más simple. En los medios de comunicación, al dar la noticia de que se había «inagurado» (que su construcción se ha completado y se ha realizado la primera prueba), se han referido a él como «la máquina del Big Bang», y han mencionado cosas como que se pretente recrear el Big Bang, o cosas similares. Esto puede llevar a pensar a uno que se va a realizar la creación de un nuevo universo, o algo así. En realidad, lo que se pretende es reproducir las condiciones que había en el universo, en los instantes posteriores al Big Bang (a muy pequeña escala, por supuesto). Y cuando digo instantes, no me refiero a unos pocos segundos, sino a órdenes de magnitud mucho menores, por debajo incluso del nanosegundo (10^-9 segundos) o del picosegundo (10^-12 segundos).

¿Cómo y qué significa esto? Bueno, todo el mundo tiene más o menos en mente lo de la gran explosión con la que comenzó el universo. Pero la Teoría del Big Bang no es sólo eso, sino que describe cómo fue evolucionando el universo primigenio. La ciencia no puede (y tal vez nunca pueda) explicar el instante inicial del Universo, ni qué había antes (sobre todo porque el tiempo forma parte del universo, y antes no existía; citando a Stephen Hawking, «es como preguntarse qué hay más al norte del Polo Norte. Es una pregunta sin sentido»). Se parte de que en su origen, el universo era un punto inmensamente denso y caliente (imagináos todo el universo actual concentrado en un puntito). Lo que ocurrió durante los primeros 10^-43 segundos de existencia del universo es bastante especulativo. De hecho, según la mecánica cuántica actual, ése es el intervalo de tiempo más pequeño que puede ser medido (y no por cuestiones técnicas, sino por la naturaleza cuántica del universo), denominado tiempo de Plank. Así que tal vez no tenga sentido siquiera preguntarse qué ocurrió en ese intervalo. Sería como buscar qué hay entre dos fotogramas consecutivos de una película.

En esos primeros instantes, sólo había energía. A medida que el universo se expandía y enfriaba, aparecieron las primeras partículas elementales: quarks y leptones (como electrones y neutrinos). Posteriormente los quarks se juntaron para constituir hadrones (como protones y neutrones). Todo esto, ocurre antes de que concluya el primer segundo del universo. Posteriormente, durante los primeros 3 minutos de existencia, protones y neutrones se juntan, formando núcleos atómicos (principalmente de hidrógeno y helio). Sólo son núcleos. Los átomos se forman después (recordad, el núcleo recubierto por una corteza de electrones), durante los siguientes miles de años.

Esto en cuanto a la materia. Otro asunto interesante es lo que ocurre con las interacciones fundamentales. Veréis, en el universo existen cuatro fuerzas o interacciones fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la interacción nuclear fuerte, y la interacción nuclear débil. No es necesario que explique qué es la gravedad y el electromagnetismo. La interacción nuclear fuerte es la que existe entre los quarks, que los mantiene unidos para formar hadrones, y además mantiene unidos los protones y neutrones del núcleo atómico, superando la fuerza repulsora electromagnética entre los protones (que tienen carga eléctrica). La interacción nuclear débil aparece entre quarks y leptones, y tiene que ver entre otras cosas, con ciertos tipos de desintegración.

La cuestión es que se piensa que estas cuatro interacciones, son en realidad aspectos distintos de una sola. Sería algo similar a lo que sucedió con el electromagnetismo. Antes del siglo XIX, se pensaba que la electricidad y el magnetismo eran cosas totalmente diferentes. Teníamos cargas eléctricas, que se atraían o repelían, y teníamos polos magnéticos, que también se atraían y repelían. Pero se comenzaron a observar fenómenos que sugerían que ambas interacciones estaban relacionadas de algún modo (por ejemplo, una carga eléctrica en movimiento, genera un campo magnético). Finalmente se descubrió que la electricidad y el magnetismo eran aspectos diferentes de una misma interacción, a la que se denominó electromagnetismo (sí, un nombre muy obvio). Con las cuatro interacciones fundamentales sucede lo mismo, aunque la unificación sólo se aprecia a muy altas energías, como las existentes en los primeros instantes del universo. Así, se piensa que inicialmente existía una única interacción. Primero fue la gravedad la que se separó, después la interacción nuclear fuerte, y finalmente la interacción nuclear débil y el electromagnetismo. Hay evidencia experimental que corrobora la unicidad de electromagnetismo e interacción nuclear débil (llamada también con un nombre obvio: electrodébil). Pero en el resto de casos, sólo está la teoría (y en el caso de la gravedad es más complicado, e incluso puede que esa interacción sí que sea algo diferente de las demás; pero eso es otra historia).

Supongo que muchos os preguntaréis ¿cómo se puede saber todo esto? Bueno, no penséis que todo son especulaciones de unos locos con mucha imaginación. En ciencia, las teorías deben surgir de la observación o de otras teorías comprobadas. Así, se puede predecir la existencia de partículas elementales que sólo aparecen en condiciones de muy alta energía, como la presente en esos instantes iniciales del universo. Si conseguimos concentrar la suficiente energía en un punto concreto (básicamente, lanzando partículas elementales a gran velocidad y en sentidos contrarios, para que choquen entre sí), podremos «imitar» de forma muy localizada parte de las condiciones de esa época, y comprobar si esas partículas teorizadas (y otras cosas) aparecen o no, y así corroborar o descartar teorías. Y cuanta más energía consigamos concentrar, más temprana es la época que podemos reproducir.

Y eso es lo que hace el LHC. Concretamente, lo que hace es lanzar prototones para que colisionen entre sí. De ahí el nombre de Gran Colisionador de Hadrones (el protón es un hadrón).

Actualización: Más información en Rompiendo partículas (LHC), del blog Ciencia aficción.