Bitácora de la ciencia y el medio ambiente

En el foro principal del Portal de Ciencia y Medio Ambiente, he abierto un foro de debate acerca de si el Gran Colisionador de Hadrones, del que ya hemos hablado anteriormente, es excesivamente caro o no.

Según la wikipedia, el Gran Colisionador de Hadrones ha arrojado los siguientes costes: Presupuesto aproximado de construcción del Gran Colisionador de Hadrones: 2.350 millones de euros (391.007 millones de pesetas). Eso es más que el PIB de unos 44 pequeños países. Presupuesto anual: unos 660 millones de euros. Y todo esto para una investigación que, hoy en día, no tiene ninguna aplicación práctica, sino que iría destinada a estudiar la validez de las teorías físicas más complejas que existen hoy en día.

El debate, por tanto, está servido. Podéis dejar vuestra opinión en el foro, preferentemente, si bien, si no queréis registraros por cualquier motivo, dado que soy el mismo quien administra esta bitácora y el foro, me reservo el derecho de incluir las aportaciones más interesantes en los comentarios de esta entrada en el foro, poniendo un vínculo a esta entrada en el foro, y sin dar más datos del autor que el apodo que coloque en su comentario.

Intercalándolo entre la parte medioambiental de la bitácora, voy a dedicar una serie de entradas al Gran Colisionador de Hadrones, para que, cuando arranque esta primavera, todos sepamos un poco mejor qué se va a investigar ahí. Voy a remontarme al principio…

Para empezar, valga la redundancia, desde el principio de todo lo que ha llevado a construir algo como el Gran Colisionador de Hadrones, tendremos que remontarnos a la física del siglo XIX, a la física antes de que la mecánica cuántica apareciera en escena coincidiendo con el inicio del siglo XX.

La parte de la física del XIX que nos interesa más a la hora de comprender los experimentos del LHC es la mecánica de Newton y su formulación teórica más avanzada, la mecánica analítica (artículo en wikipedia). Como es bien sabido, a finales del siglo XVII, Newton formuló las leyes de la mecánica clásica, que es la parte de la física más cotidiana, la que mejor se explica en la educación secundaria. La mecánica clásica es la que se utiliza para calcular velocidades, aceleraciones y explica multitud de fenómenos cotidianos. Es un modelo que funciona muy bien para las velocidades y situaciones de la vida cotidiana y, por ejemplo, es la que se utiliza para calcular las trayectorias de los satélites y cohetes espaciales, ya que, por ejemplo, el error en horas de llegada cometido al no usar la mecánica relativista, que es la más “correcta”, es de pocos segundos para viajes dentro del Sistema Solar.

La mecánica analítica sigue tres conceptos esenciales de la mecánica clásica: el principio de mínima acción (no podemos pararnos aquí, o este artículo irá más allá de una introducción… podemos considerar este principio como un análogo del principio de mínima energía), la existencia de un tiempo absoluto y que la posición de un cuerpo y su velocidad pueden determinarse a la vez con toda precisión (la mecánica cuántica no obedece este principio, lo que contribuye a hacerla tan extraña, pero me estoy adelantando).

La mecánica clásica tiene varias formulaciones, que, a un nivel elemental, podemos identificar como formas de trabajar y hacer cálculos. La primera es la mecánica Newtoniana, que es la que aprendemos en el bachillerato y la secundaria. La segunda, sería la formulación analítica, que es la que nos ocupa. La tercera sería un enfoque general, bastante complejo en lo que a matemáticas se describe y muy abstracto.

Dentro de la mecánica analítica, existen dos procedimientos, o si queremos formulaciones alternativas. La primera es la formulación lagrangiana, que, operativamente, se basa en construir la lagrangiana del sistema (básicamente, energía cinética menos energía potencial escritas en un sistema de coordenadas adecuado) y calcular las ecuaciones del movimiento haciéndole diversas operaciones a la misma. La segunda es la hamiltoniana, que, a nivel operativo, consiste en calcular la hamiltoniana del sistema estudiado (que está relacionada con la lagrangiana y, de hecho, es esta misma función tras haber realizado determinadas transformaciones matemáticas y tras definir coordenadas y momentos generalizados), definir coordenadas y momentos generalizados y resolver las ecuaciones que se obtienen manipulando de cierta manera la hamiltoniana. Cada formulación tiene sus ventajas e inconvenientes: la primera se ha matematizado de forma más completa, y la segunda permite realizar cambios de coordenadas con más facilidad y da lugar a unas ecuaciones más simples de resolver.

Pues bien. A finales del siglo XIX, este era el estado aproximado de la mecánica, con la excepción de que las formulaciones que estaban desarrolladas eran la lagrangiana y la hamiltoniana (la más general se completó después). Ambas formulaciones tienen que ver en mecánica cuántica, que es el punto de arranque a lo que se cuece en el Gran Colisionador de Hadrones.

Pero eso, para otro día.

Ayer, 10 de septiembre de 2008, se produjo la primera prueba completa de funcionamiento del Gran Colisionador de Hadrones o Large Hadron Collider. Se han inyectado partículas en el sistema y se ha intentado que den vueltas completas al acelerador. Oficialmente, se prevé su presentación y, posiblemente, el inicio de la actividad investigadora en serio para el día 21 de octubre de 2008.

Este aparato viene acompañado de cierta polémica. Hay algunos científicos que opinan que la puesta en marcha de este aparato podría destruir la Tierra. Concretamente, se cree que podría crear agujeros negros microscópicos que acabarían absorbiendo todo el planeta. Esto tiene parte de razón, pero es bastante improbable que se produzca el fin del mundo. Se cree que a las altísimas energías que maneja el acelerador (que, a fin de cuentas, es de lo que se trata el Gran Colisionador de Hadrones), se podrían producir agujeros negros microscópicos. El caso es que, también, se cree que serían inestables y durarían fracciones de segundo.

Algo parecido se dijo de las bombas atómicas de Hiroshima y Nagasaki. Varios científicos temían que las explosiones nucleares produjeran una reacción en cadena en la atmósfera que acabase con la tierra. Por suerte, no pasó nada, y ocurrirá lo mismo en este caso.

Sin embargo, de lo que quiero hablar en esta entrada es del significado y la importancia de este dispositivo, el mayor acelerador de partículas construido hasta la fecha. La teoría que describe la física de partículas aceptada hasta el momento se denomina el Modelo estándar. En este modelo, las partículas que se suponían fundamentales, como protones, electrones o neutrones, no son tales, sino éstas estan compuestas de otras, que sí serían las fundamentales.

Basados en argumentos relacionados con simetrías, el modelo estándar define dos tipos de partículas diferentes: las partículas materiales y las que portan interacciones. Las materiales son fermiones (partículas cuyo espín es semientero) y son las que conforman la materia. Son un total de doce: tres leptones y sus correspondientes neutrinos, y seis quarks. Uno de los leptones más conocidos es el electrón. En la época en que se formuló la teoría, no se tenía evidencia experimental de los quarks charm y top. Uno de los grandes éxitos del modelo estándar fue que predecía la existencia y características de estas dos partículas antes de ser observadas.

Las partículas que acarrean interacciones son bosones (partículas de espín entero), y hay distintos tipos en función de la interacción que portan. Es conocido el hecho de que en la naturaleza existen cuatro interacciones fundamentales: electromagnética, nuclear débil, nuclear fuerte y gravedad. Cada interacción tiene asociadas una clase de bosones. Así, el fotón es el portador del electromagnetismo, la interacción nuclear débil tiene asociados tres bosones, y existen ocho tipos de gluones, que son los que portan la nuclear fuerte, aquella que hace que existan, por ejemplo, los protones y neutrones y, por tanto, el mundo que conocemos.

Por cierto, un hadrón es una partícula no fundamental que es capaz de experimentar la interacción nuclear fuerte. Un hadrón está compuesto de quarks y antiquarks y de gluones, y son hadrones, por ejemplo, protones y neutrones.

Falta por observar, únicamente, la partícula portadora asociada a la gravitación, el esquivo Bosón de Higgs. Y aquí radica la gran importancia del Gran Colisionador de Hadrones. Se estima que las energías a las que permitirá acceder este aparato serán suficientes para observar el bosón de Higgs, lo que dejaría completo el modelo estándar…

Aún habrá que esperar varios años, porque hay que medir, analizar resultados… pero comienza una etapa apasionante para la física. Espero que las cosas se calmen y los científicos del CERN dejen de recibir amenazas de muerte si conectan el Gran Colisionador de Hadrones.