A principis d'agost el CERN, el Laboratori Europeu de Física de Partícules Elementals, anunciava que el proper 10 de setembre es posarà en marxa el gran col·lisionador d'hadrons (LHC, Large Hadron Collider), l'accelerador de partícules més potent del món. Ben a prop de la ciutat suïssa de Ginebra, i hostatjat en un túnel de 27 km de circumferència a 100 m de profunditat, es troba aquest sofisticat i costós instrument científic que pesa 31.000 tones.
Després de més de deu anys de construcció, en els quals han treballat més de 10.000 persones de desenes d'estats d'arreu del món, ja s'han acabat les proves. Està a punt d'arribar l'hora de la veritat. Tot i que els primers protons van ser injectats el 8 d'agost, l'entrada en funcionament real està prevista per al dia 10 de setembre, quan els protons començaran a circular de manera contínua pels 27 km de l'LHC. No us penseu que l'Onze de setembre celebrarem la Diada i la descoberta del bosó de Higgs. Les primeres col·lisions es produiran entre quatre i vuit setmanes més tard. L'esdeveniment serà cobert per TV a través d'Eurovisió.
Per a les persones que hem fet la carrera de ciències físiques, i molt especialment per a les que tenim l'especialitat de física teòrica i física d'altes energies, s'albira una etapa molt prometedora. Els resultats de l'experiment demostraran algunes teories que fins ara no s'havien pogut demostrar, i podrien fins i tot produir-se algunes sorpreses...
Però en què consisteix l'LHC? Quines teories de la física es podrien confirmar? Quin cost té? En què ens beneficiaran els resultats? Hi treballa personal investigador dels Països Catalans? Es crearan forats negres? En aquesta primera anotació ens submergirem en el fascinant món de la física de partícules i intentarem endinsar-nos-hi de manera divulgativa (amb alguna pinzellada tècnica) per donar resposta a les qüestions plantejades...
(Hi ha més info sobre aquest apassionant tema. Dient-me ‘Quark' de cognom, era imprescindible parlar-ne...)
Algunes dades bàsiques sobre l'LHC
Tècnicament, l'LHC és un accelerador que permetrà xocar protons (i trambé ions pesats) entre si a molt alta energia (14 TeV). Per fer-nos una idea, 1 TeV és l'energia cinètica d'un mosquit, un ésser un bilió de vegades més gran que un protó. L'energia acumulada en els feixos de protons (11 GJ) és de l'ordre de l'energia cinètica d'un Boeing 747 volant a 600 km/h.
Els feixos de protons xocaran entre si gairebé a la velocitat de la llum (300.000 km/s), i això farà possible la simulació d'energies com les que hi havia a l'univers una bilionèssima de segon després del big bang, la gran explosió que va donar lloc a l'univers. Quan dues partícules a gairebé la velocitat de la llum col·lideixen, es desintegren; l'energia alliberada durant l'impacte dóna lloc a noves partícules, algunes molt efímeres, que poden sortir impulsades en qualsevol direcció. Els detectors s'encarreguen d'analitzar l'energia, la trajectòria i la identitat de les partícules alliberades a l'impacte per deduir què ha passat durant la col·lisió. És a dir, les dades enregistrades pels detectors s'associaran per reproduir una fotografia de la col·lisió; entre els milers de fotos, cal detectar aquelles en què s'hagin generat partícules no observades fins aleshores per estudiar-les i entendre les propietats de la matèria sota aquelles energies.
El nucli essencial de l'LHC és la xarxa magnètica, basada en 1.232 imants dipolars superconductors de doble obertura que funcionen a 8.4 Tesles (cada imant té una longitud de 15 m) i 392 imants quadrupolars, i més de 4.000 imants correctors. Per tal que funcioni la xarxa magnètica, tot plegat ha d'estar a una temperatura de -271 graus, per a la qual cosa són imprescindibles 12 milions de nitrogen líquid i un milió de litres d'heli superfluid. Els imants, disposats al llarg del túnel, són imprescindibles per guiar els protons en una trajectòria circular.
Petita introducció sobre la composició de la matèria: el Model Estàndard
Tothom ha estudiat que els àtoms es componen fonamentalment de protons, neutrons i electrons. L'estudi de la radiació còsmica, molt energètica, en xocar contra l'atmosfera o contra un detector, va permetre descobrir noves partícules elementals.
Actualment sabem que els àtoms (bé estiguin a l'aigua que bevem o al centre d'un estel) estan formats per quatre partícules elementals: dos quarks (anomenats up i down) i dos leptons (l'electró i el neutrí electrònic). Cadascuna d'aquestes quatre partícules té dos germans grans, de massa superior i propietats idèntiques. Tota la matèria està formada per agregats d'aquestes partícules elementals. Per exemple, un protó està integrat per dos quarks up i un quark down.
Un altre concepte important és el d'interacció. A escala quàntica, les partícules interactuen a partir de l'intercanvi del que podríem anomenar "partícules d'interacció". Per exemple, si dos protons xoquen, el que esdevingui serà una conseqüència de la interacció entre els quarks que els integren. A l'LHC faran col·lidir protons contra protons perquè aquests estan formats per quarks, de manera que el que en realitat es fa xocar són quarks, és a dir, partícules fonamentals i sense estructura. Poder aillar aquestes col·lisions entre partícules realment elementals és la millor manera de saber què esdevé en l'àmbit de les interaccions més elementals. Les teories d'interacció s'anomenen teories quàntiques de camps, i si els afegim com a ingredients els quarks i els leptons, tenim com a resultat el que en física anomenem el Model Estàndard.
Matèria i antimatèria: per què l'univers és tan asimètric?
Totes les partícules elementals tenen la seva corresponent antipartícula associada, és a dir, una partícula amb idèntica massa però amb la càrrega elèctrica oposada. Per exemple, el protó té com a antipartícula l'antiprotó, i l'electró té la seva antiparella en el positró. Durant el big bang, la gran explosió que va donar lloc a l'univers, és evident que haurien de coexistir partícules i antipartícules en igual proporció. En canvi, sabem que l'univers està format per protons, neutrons i quarks, i no per les seves antipartícules. Sabem que les antipartícules existeixen, perquè s'han reproduït al laboratori (fins i tot al CERN s'ha produït antihidrogen, o sigui àtoms formats per un antiprotó i un positró); a la natura, en canvi, les antipartícules no són presents i es fa palesa una evident asimetria entre matèria i antimatèria. Els experiments de l'LHC poden contribuir a explicar per què no detectem antimatèria a la natura.
Cap a la descoberta del bosó de Higgs o per què la matèria té massa
El bosó de Higgs (com a homenatge al físic que la va suggerir l'any 1964, l'escocès Peter Higgs) ocupa un lloc preeminent en la física de partícules, ja que és el responsable que les partícules elementals, és a dir, els quarks i els leptons, tinguin massa. El higgs (si em permeteu la confiança) vindria a crear un camp a tot l'univers de manera que quan una partícula es belluga en aquest camp, és com si tingués massa. El higgs és el que dóna la massa a les partícules, ja que quan una partícula es mou en aquest camp -anomenat escalar o camp de Higgs-, aquest ofereix com una mena de resistència al moviment i això és el que anomenem massa.
Del bosó de Higgs sabem que la seva massa està en un determinat rang de valors i que es desintegra d'una determinada manera, però no l'hem detectat mai perquè la seva massa és tan elevada que per poder-lo detectar fan falta col·lisions molt energètiques, com les que pot aconseguir l'LHC. L'LHC permetrà aconseguir aquests nivells d'energia i dur a terme aquests experiments per primer cop en la història de la humanitat. Si tinguéssim la sort de descobrir que el bosó de Higgs es troba en una zona molt favorable, on es trobés molt aïllat, es descobriria ben aviat.
Fins que no descobrim el higgs, el Model Estàndard no estarà acabat. I si no arribem a detectar la partícula... Caldrà modificar el model, això és, la nostra concepció del món, des del punt de vista de la física de partícules!!! (Això no ho espera gairebé ningú)
Matèria fosca i supersimetria
Molt bé, hem descobert ja el bosó de Higgs i això explica la massa de les partícules. El cas és que, a més, el càlcul d'aquesta massa dóna un resultat encertat només si alguns termes d'aquest càlcul es compensen de manera fortuïta amb altres termes de signe contrari. Doncs bé, hi ha una teoria que explica que aquesta cancel·lació fortuïta deriva de l'existència d'una simetria superior anomenada supersimetria.
La supersimetria relaciona les partícules del Model Estàndard, tant les de matèria com les d'interacció, amb altres hipotètiques partícules amb propietats idèntiques, tret de la massa i l'espín (l'espín està relacionat amb el moment angular de les partícules, com si aquestes giressin, per entendre'ns): són les partícules supersimètriques.
La supersimetria solucionaria problemàtiques astrofísiques i cosmològiques de tipus conceptual, i ens vindria molt bé que les dades experimentals de l'LHC apuntessin cap aquesta direcció. Per exemple: algunes dades indiquen que la massa de les estructures més grans de l'univers (galàxies, cúmuls de galàxies) és superior que la que veiem brillar a les estrelles que les integren. I altres indicadors apunten que a l'univers hi ha més massa que la que veiem a simple cop d'ull, i que aquesta massa ha d'estar formada per partícules que no són les de la matèria ordinària (quarks i leptons). Doncs bé, aquesta massa (la matèria fosca) podria estar formada per partícules supersimètriques, que es caracteritzen per la seva feble interacció amb la resta de partícules. Hi ha algunes coincidències a les propietats esperades de la matèria fosca i les partícules supersimètriques. A l'LHC podria ser possible produir aquestes partícules i estudiar-ne les propietats, amb la qual cosa s'obriria un nou camp sobre un tipus de matèria que fins ara no hem detectat de manera directa.
L'enigma de l'energia fosca
Es creu que l'univers està format per un 4% de matèria ordinària (la que forma part dels éssers vius i els astres), un 23% de matèria fosca (de la qual acabem de parlar, relacionada amb la supersimetria), i un 73% d'energia fosca. L'univers s'expandeix de manera accelerada, això fa anys que ho sabem, i la probable explicació es basa en l'existència del que anomenem ‘energia fosca', de la qual ben poca cosa sabem, tot i que som capaços de mesurar la seva presència. L'explicació d'aquesta composició de l'univers podria estar en el buit quàntic, en el qual la densitat d'energia no és zero: la hipòtesi més probable per a l'energia fosca és que correspondria a l'energia associada al buit quàntic. Potser l'LHC també ens il·lustra sobre aquest tema.
El cost de tot plegat i l'evident retorn tecnològic
El cost aproximat d'aquesta gran instal·lació científica està al voltant dels 4.000 milions d'euros. La xifra és considerable, és ben cert, però relativament baixa si la comparem amb el que costa un portaavions o un submarí nuclear. En el camp civil, la terminal T4 de Barajas va costar un 50% més, o en el camp espacial, el cost de l'estació espacial internacional (ISS) ronda els 100.000 milions de dòlars, 30 cops més.
El retorn, és a dir, el que n'obtindrem, és considerable, ja que l'execució d'un projecte tan gran requereix el desenvolupament de múltiples tecnologies (superconductivitat, criogènia, buit, imants, nous materials, electrònica de potència, enginyeria civil, microelectrònica, computació, telecomunicacions, teleprocés, mecànica de precisió, instrumentació, etc.) que tenen aplicació directa en altres camps de la ciència i l'impacte de les quals a la societat és inqüestionable. Dos exemples concrets: d'una banda, les tres empreses que han construït els imants han après a desenvolupar dispositius superconductors a una escala mai emprada abans; de l'altra, els centellejadors que s'han dissenyat per mesurar electrons són d'aplicació immediata en els PET (tomògrafs per emissió de positrons, emprats en la detecció de tumors) per tal de millorar-ne les seves característiques.
Hem de destacar que el CERN ha desenvolupat un paper de primer nivell en el desenvolupament de tecnologies d'ús aplicat a camps no afins a la natura de la pròpia recerca. L'exemple més conegut és la invenció del World Wide Web (WWW) a principis dels 90, que ha revolucionat els mecanismes d'accés i transmissió d'informació resident a llocs geogràficament dispersos i que ha tingut un impacte sociològic extraordinari. Si Internet s'ha democratitzat -fa 25 anys era una tecnologia d'ús militar- és perquè al CERN es va desenvolupar el protocol http per facilitar la transmissió de dades entre el personal investigador. I en segon lloc, si tenim tècniques de diagnòstic mèdic com la ressonància magnètica o la tomografia per emissió de positrons, és gràcies a la recerca en física de partícules.
De què parlarem la propera notació?
Dedicarem una segona anotació a parlar de l'LHC. Al voltant del túnel que hostatja l'LHC, en els punts on col·lideixen les partícules, s'hi han instal·lat quatre detectors (CMS, ATLAS, LHCb i ALICE), cadascun dels quals captarà les traces dels xocs de les partícules. Explicarem què aspirem a trobar a cadascun d'ells, i quins grups de recerca dels Països Catalans hi intervenen.
També explicarem com es gestionarà el gran volum d'informació resultant de les col·lisions mitjançant la tecnologia Grid. Aprofitarem per rebatre les teories que especulaven amb la producció d'un forat negre que podria destruir la Terra (es poden formar microforats negres, com el simulat a la imatge que acompanya aquest post, sense cap tipus de perill). I, finalment, tindrem un record per al professorat de l'àmbit de les partícules elementals que vaig tenir a la UAB a finals dels 80: tot el que sé d'aquesta matèria és gràcies a ells!
