El anillo atómico de Europa





Al turista que cruza la frontera franco-suiza en las cercanías de Ginebra no le resulta nada llamativo una serie de edificios que parecen una combinación de oficinas y naves industriales. Si ese turista es un físico tampoco le va a decir nada ese conjunto gris de construcciones. Únicamente si se fija en los carteles indicadores de la autopista sabrá que está pasando por el mayor centro de investigación de Física de partículas del mundo: el CERN. Como decía el Principito de Saint-Exupéry, "lo verdaderamente importante es invisible a sus ojos"; en este caso, porque se encuentra bajo tierra.

Si hubiera que establecer un comienzo, éste sería probablemente a inicios de 1947, cuando ningún físico de partículas se esperaba lo que iba a suceder. El 20 de diciembre la revista Nature publicaba dos fotografías de dos sucesos llamados "en V", debido a su forma característica. Éstos se producen, por ejemplo, cuando una partícula neutra ?sin carga?, que no deja huella en una placa especial, se desintegra en dos de cargas eléctricas opuestas, que sí la dejan.


Tras el rastro de las partículas extrañas

Los dos años siguientes los físicos se esforzaron por confirmar tan inesperado descubrimiento. Estas partículas, que recibieron el apodo de "extrañas", se convirtieron en el tema de moda. No era para menos. Su existencia era escandalosa. "Era como si la naturaleza se permitiera fantasías", comentaba el físico francés Michel Crozon. Al poco tiempo un joven físico llamado Murray Gell- Mann introdujo el concepto de extrañeza, una nueva cualidad de las partículas subatómicas. ¿Qué hacía esa noción ahí? Y lo que era más acuciante, ¿cómo integrarla en un esquema coherente?

Era hora de dar un paso más. Desde los años 20, quienes buscaban con ahínco los ladrillos últimos de la materia se habían valido de cierto fenómeno natural proveniente del espacio, los rayos cósmicos: todo un conjunto de partículas de alta energía, como fotones (rayos X, gamma...); o partículas eléctricamente cargadas, como los protones. Al alcanzar las zonas más altas de la atmósfera los rayos cósmicos pueden sufrir dos destinos diferentes en función de la energía que transportan. Si no es mucha, el aire los frena, pero si son muy energéticos, al chocar violentamente con un átomo de oxígeno o de nitrógeno del aire, provocan una cascada de partículas secundarias, fragmentos de átomos o partículas arrancadas tras la colisión. Para estudiarlos, los físicos buscaban las mayores alturas posibles, ya fuera en montañas o en globos. Pero tenían un inconveniente: los rayos cósmicos son escasos e impredecibles, y los físicos querían disponer de haces de partículas conocidas para poder jugar con ellas a su antojo.

Evidentemente, la mejor forma para explorar el interior de la materia es lanzar las partículas unas contra otras a altísimas velocidades. Si el material empleado en las colisiones está compuesto por elementos más pequeños, se romperá y se podrán ver los productos de deshecho. De igual modo, las tremendas energías liberadas permiten la aparición de otras partículas subatómicas que no existían antes del choque por obra y gracia de la ecuación más famosa de la física, E=mc2. Así, tras la guerra, los esfuerzos se centraron en perfeccionar unas máquinas que aceleraran partículas a velocidades y por tanto a energías cada vez más elevadas. La única forma de lograrlo es manipulando los campos eléctricos y magnéticos. Toda partícula cargada "siente" estos campos -en realidad, ambos son expresión de un único campo electromagnético-, así que se puede conseguir, mediante un manejo apropiado, que las partículas subatómicas vayan adquiriendo cada vez mayor velocidad.


El primer acelerador lineal de la historia

En 1928, Rolf Wideröe, un joven ingeniero noruego que trabajaba en Aquisgrán, diseñó el primer acelerador lineal de la historia, un recinto donde se hace el vacío y mediante unos tubos metálicos las partículas sufren una serie de aceleraciones cada vez que pasan de uno a otro. Un año más tarde, al otro lado del Atlántico, otro físico de origen noruego, Ernest O. Lawrence, desarrolló en California otro tipo de acelerador: el ciclotrón. Éste consiste en dos imanes con forma de D enfrentados en el que las partículas son inyectadas en el centro y se aceleran lenta pero progesivamente para adquirir una trayectoria espiral. Su primer acelerador, construido en 1930, cabía en la palma de la mano. Casi 80 años después, en el CERN se está construyendo uno de 27 kilómetros: el LHC, Large Hadron Collider. Las cosas han cambiado mucho.

Poco a poco, fueron apareciendo otros modelos de aceleradores que mejoraban los existentes y tenían nombres tan peculiares como sincrociclotrón y sincrotrón, pero que en esencia seguían basados en el mismo principio: utilizar potentes electroimanes para acelerar partículas cada vez más pesadas a velocidades cada vez mayores. Los tamaños también se fueron agrandando: de centímetros se pasó a centenares de metros.

Sin embargo, la situación de la Física de partículas en Europa no era nada buena. Los norteamericanos ganaban por goleada. Por eso en 1949, en el Centro Europeo de la Cultura de París, los científicos Saultry y De Broglie propusieron la creación de un centro de investigación europeo que impidiese el éxodo masivo de científicos fuera del Viejo Continente y que Europa pudiera alcanzar el nivel tecnológico norteamericano, algo que ningún país por sí solo sería capaz de hacer. Esta idea fue defendida al año siguiente en la Asamblea General de la UNESCO por la delegación de Estados Unidos a iniciativa del físico Isidor Rabi. Quizá el gigante estadounidense quería asegurarse cierta ventaja en la Guerra Fría haciendo que Europa regresara al terreno de juego científico.

El 29 de septiembre de 1954 cristalizaba ese gran esfuerzo político, científico y económico en lo que sería uno de los más grandes y exitosos laboratorios de investigación: el Centro Europeo de Investigación Nuclear, CERN, en Meiryn, cerca de Ginebra. El nombre se cambió hace unos años, quizá porque la palabra "nuclear" provoca importantes reacciones adversas. Hoy es el Centro Europeo para la Física de Partículas, un nombre, todo hay que decirlo, más acorde a su objetivo.


Aceleradores de cientos de metros de longitud

El anillo atómico de Europa
En 1959, se terminó el acelerador protón-sincrotrón (PS) del CERN. El dispositivo, que medía 200 metros de longitud, era considerado un gigante. Con el tiempo, el PS fue utilizado para acelerar partículas y guiarlas a otros ingenios aún mayores, como el LEP, situado a 100 metros bajo tierra en un túnel de 27 km de longitud. En 2007, esa misma área -arriba- será ocupada por el nuevo acelerador LHC.El primer acelerador del CERN fue un sincrociclotrón bastante modesto, sustituido en diciembre de 1959 por el protón-sincrotrón (PS) de 200 metros, algo que para la época parecía gigantesco. Con él los físicos europeos empezaron una competición con sus homólogos estadounidenses, que estaban a punto de inaugurar otro en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Nueva York. Por su parte, la reacción de los países del Este no se hizo esperar: se creó el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear o JINR en Dubna (Rusia). Pero nunca fue un verdadero competidor. Su acelerador, un sincrotrón de protones cuyo imán pesaba 36.000 toneladas, diez veces más que el del CERN, era un verdadero dinosaurio tecnológico.


Competición desigual entre europeos y estadounidenses

En 1960 la competición se encontraba entre Ginebra y Nueva York. No obstante, era una pugna desigual. Los norteamericanos disponían desde principios de los años 50 de diversos aceleradores con los que habían adquirido destreza y práctica en el diseño de experimentos y en la construcción del instrumental apropiado para detectar las partículas. Así que los europeos se dedicaron a copiar las iniciativas estadounidenses para adquirir dominio de las técnicas experimentales. Debido a ello, llegaban siempre en segundo lugar. Ahora bien, a lo largo de la década siguiente empezó a producirse un fenómeno de internacionalización que ya jamás se perdería: grupos norteamericanos colaboraban con los experimentos realizados en el CERN y los europeos usaban fotos tomadas en Brookhaven.

Los nuevos aceleradores de partículas ponían en serios aprietos a los físicos teóricos. A medida que progresaba la investigación aparecían más y más partículas. A principios de los años 60 la situación era caótica: el finlandés Matt Ross describía 41 partículas diferentes en la revista Review of Modern Physics; hablar de "partículas elementales" era un dislate. Entonces entró en juego de nuevo Murray Gell-Mann. En 1962 anunció en el CERN una forma de agrupar las partículas que llamó "el Camino Óctuple", en clara alusión a la filosofía budista. Su teoría, también formulada independientemente por Yuval Ne?eman, predecía una nueva partícula, Ω-, descubierta al año siguiente primero en Brookhaven y luego en el CERN. Dos años después Gell- Mann perfeccionaba su teoría y lanzaba al ruedo de la Física de partículas los quarks.


Una descripción de las partículas elementales

Desde entonces los físicos fueron construyendo un marco teórico llamado "modelo estándar". Éste afirma que existen dos estirpes principales de partículas elementales: los quarks, de seis "sabores", agrupados en tres familias de dos -conocidas como arriba y abajo, extraño y encanto, valle y cima-, y los leptones, también de seis "sabores": el electrón, el muón, el tauón y sus correspondientes neutrinos, unas partículas capaces de atravesar un muro de plomo de varias decenas de años-luz de grosor sin problema. Los leptones se pueden encontrar solos en la naturaleza, algo que no ocurre con los quarks. Éstos siempre aparecen en parejas o en tríos formando otras partículas, como sucede con el neutrón y el protón.

Y no sólo eso. A finales de la década de los 60, los físicos Glashow, Salam y Weinberg dieron un paso de gigante hacia el sueño de reunir bajo una única descripción matemática las cuatro fuerzas de la naturaleza: la gravedad, la electromagnética, y dos fuerzas nucleares, la fuerza fuerte, que mantiene unidos los quarks, y la débil, responsable de la llamada desintegración beta. De hecho, las fuerzas las transmiten ciertas partículas. Así, mientras que los responsables de la electromagnética son los fotones, los de la fuerza débil son los bosones W+, W- y Z0. Estas tres partículas fueron predichas por Glashow, Salam y Weinberg al unificar bajo una única formulación matemática la fuerza electromagnética y la fuerza débil: es la teoría electrodébil.


La antimateria llega a los aceleradores

Comprobar la veracidad de todas estas ideas exigía una nueva generación de aceleradores. Y es que la Física de partículas sigue una sencilla regla: cuanto más adentro de la materia quieres explorar, mayor energía necesitas. En el CERN, el viejo PS no se desmanteló, sino que se usó para dar servicio al nuevo acelerador, el SPS (Super Proton-Sincrotron), un anillo de 7 kilómetros de diámetro enterrado a 40 metros bajo tierra, que empezó a construirse en 1976 y entró en servicio en 1981. La idea era acumular antiprotones para luego hacerlos colisionar con protones. El uso por primera vez de antimateria en los aceleradores incrementaba la energía de los choques. De hecho, si materia y antimateria se encuentran, se aniquilan completamente. Este hecho llevó al CERN a una posición de liderazgo mundial y así Carlo Rubbia y Simon van der Meer descubrieron los bosones W y Z, los transmisores de la fuerza electrodébil, lo que les valió ganar el premio Nobel en 1983. Puede decirse que el SPS se construyó para hallarlos.


El mayor instrumento científico jamás construido

Después, todo estaba preparado para la construcción del mayor instrumento científico jamás construido, el LEP (Large Electron Positron Collider), una circunferencia de 27 kilómetros enterrada a un centenar de metros donde se aceleraban electrones y positrones -la antimateria del electrón- y se les hacía colisionar. Con el LEP, que comenzó su andadura en 1989, los físicos obtuvieron mediciones que iban refinando la teoría y confirmaron que sólo podían existir tres familias de quarks. Pero los planteamientos teóricos exigían aceleradores más grandes, algo que a finales del siglo pasado se concretó en dos proyectos: el SSC (Super Sincrotron Collider) en EE UU, un monstruo de 87 kilómetros de diámetro que se empezó a construir en 1989, pero que se canceló en 1995 debido a su elevado coste, 8.000 millones de dólares, y el LHC, que se aprobó el 24 de junio de 1994.

Justo ese año se iniciaba en el CERN un programa de investigación que pretendía hacer colisionar iones -átomos que han perdido parte de sus electrones- de plomo y de oro para recrear lo que sucedió en nuestro universo justo unas millonésimas de segundo después del Big Bang, cuando la temperatura era de unos cien mil millones de grados centígrados. Lo que hallaron fue un nuevo estado de la materia 20 veces más denso que el núcleo atómico: el plasma de gluón-quark. Fue uno de los últimos experimentos del LEP. Había que desmantelarlo para construir el LHC, que entrará en funcionamiento en 2007.

Entre sus principales objetivos se encuentra el descubrimiento de una partícula cuya existencia fue postulada hace más de 30 años: el Higgs. Se trata de una partícula decisiva, pues es la que fija la masa del resto de las partículas. Y más vale que la encuentre. Si no, habrá que pensar qué es lo que falla en el "modelo estándar".


Miguel Ángel Sabadell
















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