CERNChoque frontal: simulación de colisiones de iones de plomo en el detector AliceCERN
desde Ginebra
El domingo 6 de abril la ciudad aún dormía cuando el tranvía paró puntualmente a las 8:28hs de la mañana en la estación central de Ginebra. En pocos segundos, decenas de personas presurosas llenaron sus vagones, rumbo al Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (Cern), un laboratorio internacional de física liderado por 20 países de Europa, ubicados en los alrededores de la capital de los relojes suizos. Al llegar al inmenso globo de madera ubicado en la entrada del Cern, el pequeño grupo se sumó a una multitud de gente de idiomas y países distintos que aguardaban la apertura de los portones. Ni el viento ni los 9 grados de la primavera suiza les habían impedido cambiar el confort de sus casas calefaccionadas por horas de espera en largas colas al aire libre. Nadie quería perderse la última posibilidad de conocer la caverna.
Ubicada a 100 metros de profundidad, dicha caverna no tiene nada que ver con los montes del Jura, la cordillera que se erige al oeste del Cern, en la frontera de Suiza con Francia, donde hace dos siglos el naturalista alemán Alexander von Humboldt halló fósiles de animales del período geológico al que denominó Jurásico. La caverna que todos querían ver es una de las más imponentes obras creadas por el ser humano: un túnel circular de 27 kilómetros de extensión que alberga el Large Hadron Collider (LHC), el mayor acelerador de partículas del mundo, que comienza a funcionar en los próximos meses. Cuando finalmente lo conecten, en julio o agosto de este año, al cabo de casi dos décadas de planificación, construcción y retrasos, este equipo les permitirá a los 10 mil físicos e ingenieros que trabajan en el Cern – entre ellos hay 68 brasileños – comprender mejor cómo se comporta la naturaleza en un espacio infinitamente pequeño, miles de millones de veces menor que un grano de arena.
Antes de cerrar el acceso al túnel, los investigadores interrumpieron los trabajos de rutina y los ajustes finales de los aparatos a comienzos de abril para llevar a cabo otra actividad importante, repetida de tiempo en tiempo: mostrarle al mundo cómo se invirtieron los casi 9.000 millones de dólares insumidos desde 1993 hasta ahora en la fabricación y el montaje del LHC. “Ellos saben vender su producto”, comentó el físico brasileño Sandro Fonseca, de la Universidad del Estado de Río de Janeiro (UERJ), durante una caminata por los pasillos del Cern, donde actualmente desarrolla su trabajo de doctorado. “El ciudadano europeo que paga sus impuestos viene a pasear y quiere ver cómo se gasta su dinero.”
Ricardo ZorzettoPesados: conjunto de físicos e ingenieros completa del detector CMS, 12,5 mil toneladasRicardo Zorzetto
El primer domingo de abril, 53 mil personas, un décimo de la población de Ginebra y ciudades aledañas, atravesaron los portones del mayor laboratorio de física de partículas del mundo. Vieron videos y asistieron a charlas sobre el nuevo acelerador y se les impartieron explicaciones acerca de los avances que la física ha aportado a áreas tales como la medicina, a ejemplo de la tomografía, que permite hacer imágenes de órganos en funcionamiento, o las telecomunicaciones – en 1989 Tim Berners-Lee desarrolló en el Cern el sistema de comunicación world wide web, que hizo que internet se volviera accesible al público.
Y quien ya ha dejado atrás el habitual almuerzo en familia puede también visitar el Museo de Ciencias Microcosmos y incluso conocer el cuartel general del Cern: el centro de control inaugurado en marzo, desde donde serán monitoreados ocho aceleradores de partículas – el LHC es el más moderno y más potente. “Acá no hay nada que esconder”, dijo el ingeniero inglés Terry Pritchard, quien durante años desarrolló y probó componentes electrónicos para el LHC. Actualmente jubilado, Pritchard guió la visita de los periodistas.
En la caverna
De las 53 mil personas que fueron al Cern, 20 mil bajaron a la caverna. Y se impresionaron con lo que vieron. Entre gruesas paredes de concreto, una sucesión de 1.624 tubos azules y blancos, cada uno de 14 metros de longitud y uno de diámetro, se enfilaban en secuencia formando un anillo de 27 kilómetros. En el interior de esos tubos, dos haces de partículas más delgados que un cabello viajarán en sentidos opuestos a velocidades cercanas a la de la luz (300 mil kilómetros por segundo).
Ricardo ZorzettoBajo la tierra: hombres, mujeres y niños visitan el detector AliceRicardo Zorzetto
Guiadas por potentes electroimanes enfriados a -271°C, las partículas recorrerán la mayor parte del tiempo trayectorias paralelas. Sin embargo, en cuatro puntos del anillo sus caminos se cruzarán y, como nubes en una tempestad, amontonados de 100 mil millones de partículas de carga positiva (protones) se encontrarán con otros 100 mil millones que vendrán en la dirección contraria. Pese a esa cantidad de protones, tan sólo 20 colisiones se concretarían cuando una nube se encuentre con la otra. Por eso es necesario hacer que esas nubes entren en colisión millones de veces por segundo para generar una cantidad de choques lo suficientemente grande como para que los físicos puedan analizarlas.
Al lanzar un protón contra otro a velocidades altísimas y un nivel extremadamente elevado de energía (7 billones de electrón-voltios o teraelectrón-voltios, TeV), los investigadores esperan fragmentarlos en sus componentes más fundamentales: los quarks, partículas menores y indivisibles formadoras de la materia; y los bosones, partículas responsables de la transmisión de tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza (electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil), que mantienen a los quarks unidos en bloques mayores de materia.
Estas partículas – un total de 48, siendo 36 de materia y 12 de cargadoras de fuerza – están previstas en el Modelo Patrón, el conjunto de teorías desarrolladas en los últimos 50 años para explicar el comportamiento de la materia a nivel submicroscópico. Pero no todas fueron observadas experimentalmente. Se cree que la mayor parte de ellas – con excepción de cuatro o cinco más estables – es sumamente fugaz y se transforma en otras partículas tan pronto como son creadas. Con partículas escapando entre los dedos, los físicos quedan en duda: o la teoría no representa suficientemente bien la realidad y algunas partículas de hecho no existen, o solamente no había sido creada hasta el momento una máquina lo suficientemente poderosa como para encontrarlas.
“Es un consenso que el Modelo Patrón es bueno”, dice Arthur Maciel, del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas con sede en Río de Janeiro, miembro de uno de los equipos del Cern. “Pero no explica todo. Quizás sea solamente una buena aproximación de algo más completo que no conocemos”. En busca de la respuesta, investigadores todo el mundo no ven la hora de que los protones empiecen a chocarse decenas de metros debajo de los campos y cultivos de los alrededores de Ginebra.
Las apuestas indican que el LHC es la tan aguardada máquina. Aunque ese acelerador suministra energía suficiente para despedazar los protones y resolver estas cuestiones – el choque entre dos protones redundará en una energía de 14 TeV, elevadísima para una partícula, pero insuficiente como para encender un celular durante más que algunos segundos –, los físicos tendrán mucho trabajo antes de confirmar si encontraron lo que buscaban.
Como las partículas fundamentales son inestables y en fracciones de segundos originan otras generaciones de partículas, los investigadores se valen de gigantescos aparatos llamados detectores para saber que ha pasado en el lugar de la colisión. Con forma de barril o de cilindro, los detectores se construyen alrededor del punto en el que se da el choque y se componen de cuatro capas de materiales distintos que registran la energía y la velocidad de las partículas que los atraviesan, además del camino recorrido.
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El principio y el medio: Felix Bloch deposita la piedra fundamental del Cern en 1955, arriba, y John Adams anuncia el récord de energía en 1959CERNCon base en estos datos calculan otras propiedades, tales como la masa y la carga eléctrica. Pero deben andar el camino opuesto realizado por la segunda o la tercera generación de partículas – desde el punto en que desaparecen hasta aquél en que surgen –, para descubrir cuáles fueron las generadas inicialmente en la colisión. “Es una especie de ingeniería reversa”, comenta el físico Dílson de Jesus Damião, del equipo de Alberto Santoro de la UERJ, quien desarrolla su dotorado en el Cern.
En el LHC son cuatro los principales detectores. Dos de éstos, el mayor, Atlas, de 46 metros de longitud, 25 de altura y 7 mil toneladas, y el más pesado, el Compact Muon Solenoid (CMS), de 21 metros de longitud, 12 de altura y 12,5 mil toneladas, se encargarán de analizar los choques entre protones en busca de partículas aún no halladas en el Modelo Patrón y fenómenos desconocidos de la física. En tanto, el Alice, acrónimo de A Large Ion Collider Experiment, funcionará solamente 3 meses por año para analizar el resultado del choque de partículas más pesadas (núcleos del elemento químico plomo) y verificar la existencia de un quinto estado de la materia: el plasma de los quarks y gluones.
Formado por dos tipos de partículas elementales – los quarks, partículas de materia, y los gluones, partículas que cargan fuerza –, este plasma solamente existiría a temperaturas elevadísimas como las producidas en los primeros instantes después del Big Bang, la explosión que habría originado el espacio y el propio tiempo hace 13.700 millones de años. Después de creada, esa sopa primordial de partículas habría existido por una ínfima fracción de segundo, durante un período en que el Universo era muy cálido y pequeño: su temperatura llegaba al trillón de grados – hoy es de -270°C – y se extendía solamente por 300 millones de kilómetros, casi nada ante los actuales 117 quintillones de kilómetros.
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En la frontera: entre Suiza y Francia, arriba de la línea de trazoscernUna vieja conocida
Un detector de dimensiones más modestas, el LHCb, investigará específicamente la desintegración de partículas elementales de materia llamadas mesón B en otras partículas. El objetivo es intentar comprender por qué en el Universo la cantidad de materia es diferente que la de antimateria, formada por partículas de igual masa, con cargas opuestas y sentido de rotación contrario. “Los valores que otros dos experimentos, el BaBar y el Belle, midieron anteriormente, no justifican la diferencia observada en el Universo”, explica el ingeniero electrónico Rafael Nóbrega, quien lleva adelante su doctorado en el Instituto Nacional de Física Nuclear de Roma y pasó los últimos meses probando 15 mil chips y 1.400 cámaras de un sistema de detección del LHCb que registra eventos de milmillonésimas de segundo.
A medida que se aproxima la inauguración del nuevo acelerador del Cern, una partícula en especial ha llegado a las páginas de diarios y revistas del mundo entero, a punto tal de ser tratada casi como una vieja conocida: el bosón de Higgs. Y ese alborozo quizá se justifique, pese a molestar a la comunidad de los físicos, en especial después de que el estadounidense Leon Lederman, quien recibió el Nobel de Física de 1988, la llamó partícula Dios en el libro The God particle: if the Universe is the answer, what is the question?, publicado en 2006.
Postulada por el físico escocés Peter Higgs en 1964, esa partícula de interacción, si es encontrada, explicará la masa de todas las otras partículas elementales – por qué algunas tienen masa y otras no. “Los [físicos] teóricos se divierten discutiendo qué sería peor: descubrir el bosón de Higgs con las propiedades previstas por el Modelo Patrón o descubrir que no existe bosón de Higgs”, escribió el físico inglés John Ellis, del Cern, en un artículo publicado en julio de 2007 en un especial de Nature sobre el LHC. El primer caso representaría un nuevo éxito de esta teoría, que hasta el momento ha sido aprobada en todas las pruebas a las cuales se la sometió, pero no aportaría nada nuevo a la física. Si esta partícula no existe, el Modelo Patrón estará condenado, y los físicos tendrán que justificar el resultado ante los políticos que apoyaron la financiación del LHC. “Sea cual sea el camino que la naturaleza elija, la buena noticia es que el LHC nos dará una respuesta experimental definitiva y pondrá fin en las especulaciones”, afirmó Ellis.
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Entre montañas: campos se mezclan a las instalaciones del Cernricardo zorzetto“La física se volverá más interesante si el bosón de Higgs no fuera encontrado, porque tendremos que repensar todo lo que se hizo hasta ahora”, comentó el físico brasileño Roberto Salmeron, que vive en París y habla con la experiencia de quien vio nacer buena parte de la física moderna. Último asistente brasileño del italiano Gleb Wataghin, quien formó la primera generación de físicos de Brasil, Salmeron fue en 1956 a trabajar en el Cern, dos años después de su fundación. “El Premio Nobel Patrick Blackett, mi director de la Universidad de Manchester, sugirió en el Cern que invitasen a físicos que estudiaban rayos cósmicos para pensar qué experimentos podrían hacerse cuando el primer acelerador estuviera listo”, dijo. “Al comienzo del Cern trabajábamos en casillas de madera cedidas por el aeropuerto de Ginebra.”
En vez de casillas, ahora se asientan en los alrededores de la ciudad centenares de edificios de pocos pisos, que no dan la menor señal de que debajo de la superficie investigadores estudian los fenómenos más íntimos de la materia. El comienzo del funcionamiento del LHC representa la concreción de un sueño de al menos tres décadas. Antes incluso de que el antiguo acelerador entrase en funcionamiento, los investigadores europeos ya imaginaban reemplazarlo por un equipamiento más grande y más poderoso, razón por la cual insistieron en la construcción de un túnel tan extenso. La idea cobró fuerza a mediados de la década de 1980, cuando el grupo de planificación de largo plazo del Cern – encabezado por el italiano Carlo Rubbia, quien compartió el Nobel de Física de 1984 por el descubrimiento de las partículas portadoras de la fuerza nuclear débil (los bosones W y Z) – sugirió que esta sería una manera saludable de que la física de partículas europea se mantuviera competitiva frente a la estadounidense. En la época, Estados Unidos pretendía construir por cuenta propia el Superconducting Super Collider (SSC), un acelerador más caro y alrededor de seis veces más potente que el LHC. Pero el proyecto fue cancelado en 1993 después de que el Congreso impusiera recortes en la financiación. Los norteamericanos salieron en busca de cooperaciones internacionales que habían rechazado anteriormente, pero no obtuvieron éxito. Era demasiado tarde.
El poder de convencimiento de Rubbia y las conferencias realizadas en diversos países de Europa crearon un ambiente favorable a la construcción del LHC. La extinción del SSC llevó a los especialistas norteamericanos a recomendarle al gobierno de Estados Unidos la adhesión al proyecto del nuevo acelerador del Cern, que también contó con el apoyo de Rusia, Japón y la India, comenta Chris Llewellyn Smith, director del Cern entre 1994 y 1998, en el especial de Nature.
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En el camino de las partículas: expertos realizan los ajustes en los equipos de los dos mayores detectores, el Atlas y el CMS, en el centrocernNo fue la primera vez que un proyecto colaborativo multinacional prevaleció por sobre iniciativas individuales de los países. Por cierto, la unión de esfuerzos está en el propio origen del Cern. Cuando terminó la Segunda Guerra Mundial en 1945, Europa estaba arrasada desde el punto de vista económico y social, y algunos de sus más importantes investigadores habían migrado a Estados Unidos. “En una conferencia dictada en 1949 en Lausanne, Suiza, el Premio Nobel de Física francés Louis de Broglie propuso la creación de laboratorios compartidos por los países europeos para revitalizar la actividad científica en el continente”, comenta Salmeron.
Otros dos físicos, el francés Pierre Auger y el italiano Edoardo Amaldi, fueron favorables a esa idea y bregaron por la creación de un laboratorio de física de partículas. “Amaldi, que tenía una rara visión global de la ciencia y de su impacto en la sociedad, sugirió la filosofía de comportamiento del Cern, seguida desde el origen: un laboratorio abierto a todos los países, sin actividad secreta ni influencia militar”, dijo Salmeron, cuya actuación durante los últimos años ha sido fundamental para la participación de los brasileños en el LHC.
Inestabilidad
Con su prestigio en el país y en el exterior, Salmeron coordinó años atrás las negociaciones entre el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT), la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep) y el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) que resultaron en un presupuesto de un millón de dólares (alrededor de dos millones de reales) anuales durante 5 años – la última cuota será pagada en julio de este año. “Fueron concedidos solamente 1,8 millones de reales, lo suficiente como para pagar pasajes, estadía y anualidades, pero no para producir equipamientos”, comentó Salmeron, disconforme con el hecho de que Brasil haya perdido a manos de Pakistán la posibilidad de fabricar componentes de un electroimán del Cern. Según Salmeron, la participación brasileña no quedó comprometida únicamente debido a la buena voluntad de grupos amigos en el exterior, que financian a los brasileños.
Él no es el único que se queja de la falta de apoyo consistente y constante por parte del gobierno federal a la física de partículas. Coordinadores de los equipos brasileños en el Cern afirmaron que la falta de planificación nacional de largo plazo genera una inestabilidad que es perjudicial para el área. “Todo funciona a base de pedidos de financiación individuales”, dice Jun Takahashi, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), que trabaja en el detector Alice. “En un experimento de ese porte, no puede haber incertidumbre.”
Fernando Marroquim de Almeida, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), comenta: “Trabajo en el detector Atlas desde hace casi 20 años y todos los años tengo que ir al CNPq a pedir dinero y explicar qué hago. Por lo visto, el gobierno no quiere compromisos de largo plazo. La dirección del Cern le exige a Brasil un memorando de entendimiento, ya firmado por países menores y más pobres, como Marruecos, Chile, Arzebaiyán y Polonia”.
“Hace años tenemos un acuerdo de colaboración, que debe renovarse oportunamente (el último convenio de cooperación se firmó en 2006)”, afirma José Roberto Drugowich de Felício, director de programas horizontales del CNPq. La agencia mantiene dos líneas de apoyo: una relacionada con las tasas de mantenimiento y operación y otra para cubrir los gastos con la construcción de equipamientos. “Entre 1999 a 2004 el CNPq pagó 1,2 millones de reales para la construcción de un equipamiento destinado al detector Atlas”, comenta. “Asimismo, hemos apoyado a los grupos de investigación con becas de doctorado sándwich con duración de dos años, en vez de uno, como es normal.”
La ausencia de planificación a nivel nacional también puede comprometer el impacto del trabajo brasileño en ese proyecto, afirma la física Renata Funchal, de la Universidad de São Paulo (USP), quien años atrás participó de un equipo francés que trabajaba en el antiguo acelerador del Cern. “La comunidad brasileña es pequeña y se pulverizó en los cuatro experimentos del LHC, mientras que en esos programas grandes, Estados Unidos y los países de Europa mantienen una política agresiva y direccional, con su foco en la participación en uno u otro experimento”, comenta Renata.
De cualquier manera, el país actúa de manera efectiva en el proyecto Cern. En la UFRJ, el equipo de Marroquim desarrolló chips que se elaboraron y se probaron en dos empresas paulistas y están instalados en el detector Atlas.
También en Río y en São Paulo, los grupos de Alberto Santoro, de la UERJ, Alejandro Szanto Toledo y Marcelo Munhoz, de la USP, y Sergio Novaes, de la Universidad Estadual Paulista (Unesp), implantaron en el país un complejo computacional que equivale a mil computadores trabajando en red, conectadas entre sí y al Cern por conexiones ultrarrápidas de internet. “Así, el dinero invertido y el conocimiento generado se quedan en Brasil y contribuimos efectivamente para analizar los datos del Cern”, afirma Novaes.
No son solamente partículas y posiblemente una física desconocida que han de surgir en los alrededores de Ginebra. “Existe una ganancia importante, difícil de medir, que es lo educativo que se desprende de este tipo colaboración”, afirma Takahashi. “Mis alumnos trabajan en cooperación con mil personas de manera productiva, aprenden programación en lenguaje avanzado y luego van a empresas nacionales.”
El LHC en números
Los haces de partículas se mantendrá a una temperatura de -271°C
Las partículas serán aceleradas en un anillo de 27 kilómetros de extensión
Los protones alcanzarán la velocidad de 1,079 mil millones de kilómetrospor hora o 99,9999991% de la velocidad de la luz
Las partículas darán 11.245 voltas por segundo en el anillo del acelerador
Se calcula que habrá 600 millones de colisiones por segundo
La energía de la colisión será de 14 billones de electrón-voltios, elevadísima para las partículas, pero lo suficiente para mantener un celular encendido apenas durante unos pocos segundos
Las colisiones deben generar 70 mil gigabytes de datos por segundo
Alrededor de 10 mil físicos e ingenieros participarán en los experimentos del LHC
El presupuesto del Cern fue de casi mil millones de dólares en 2007
