Rumbo a ¡®terra incognita¡¯: el LHC reinicia su singladura

Tras m¨¢s de dos a?os en el dique seco, el buque insignia de la f¨ªsica de part¨ªculas vuelve a navegar. Despu¨¦s de su exitoso primer per¨ªodo de exploraci¨®n entre los a?os 2010 y 2012, culminado con el descubrimiento m¨¢s importante en el campo de la f¨ªsica de part¨ªculas en las ¨²ltimas d¨¦cadas, el bos¨®n de Higgs, el acelerador LHC y los experimentos retoman su actividad en el Laboratorio Europeo de F¨ªsica de Part¨ªculas (CERN) con energ¨ªas renovadas. A¨²n quedan grandes interrogantes por responder sobre cuestiones de f¨ªsica fundamental, como el origen de la asimetr¨ªa entre materia y antimateria en el universo, la naturaleza de la materia oscura, detectada a trav¨¦s de sus efectos gravitatorios, o la comprensi¨®n de la enigm¨¢tica energ¨ªa oscura que parece permear el universo y acelerar su expansi¨®n.

Este tiempo en el astillero se ha empleado para dotar al gran colisionador de una mayor potencia que permitir¨¢ producir un n¨²mero m¨¢s elevado de choques entre protones a una energ¨ªa pr¨¢cticamente el doble de la anterior y as¨ª poder explorar las leyes fundamentales de la naturaleza a distancias a¨²n m¨¢s peque?as. El aumento de energ¨ªa abre la puerta a la producci¨®n de quiz¨¢s nuevos fen¨®menos inaccesibles a energ¨ªas inferiores. La mayor intensidad, del orden de dos mil millones de colisiones por segundo, dar¨¢ acceso a la creaci¨®n de procesos de muy baja probabilidad de ocurrencia, acaso inobservados anteriormente por falta de datos suficientes. Extender las fronteras de la energ¨ªa y la intensidad nos permiten, pues, adentrarnos m¨¢s lejos y m¨¢s r¨¢pido en un territorio jam¨¢s explorado del inmenso oc¨¦ano del microcosmos con la perspectiva de encontrar nuevos espec¨ªmenes, quiz¨¢ supersim¨¦tricos, oscuros o incluso multidimensionales, por ahora s¨®lo en la mente de algunos f¨ªsicos te¨®ricos. Ingredientes nuevos que nos permitan avanzar en la comprensi¨®n de nuestro universo no aparecer¨¢n simplemente por deseo, esperanza, revelaci¨®n o razonamiento puro. Es necesaria la experimentaci¨®n, traspasar las fronteras de lo observado anteriormente.

Somos conscientes, sin embargo, de que esta vez no tenemos de gu¨ªa, a modo de estrella polar que oriente nuestra navegaci¨®n, una predicci¨®n fiable, como lo fue el acorralado bos¨®n de Higgs, donde otros exploradores hab¨ªan ido marcando el terreno y haciendo mapas cada vez m¨¢s detallados. Existe siempre el temor de que a pesar de disponer de una nave m¨¢s poderosa, esta expedici¨®n no nos lleve a ninguna parte, que el oc¨¦ano tras el cual se encuentre el nuevo mundo sea todav¨ªa demasiado ancho para atravesarlo y la tierra prometida quede a¨²n lejos de nuestro alcance. Puede que los armadores de aceleradores no est¨¦n dispuestos a invertir en naos m¨¢s potentes a menos que retornemos de esta expedici¨®n con pruebas de ultramar. Nuestra determinaci¨®n es grande y nuestra entrega es total, pues sabemos que la recompensa es fabulosa.

Motivan la nueva campa?a evidencias experimentales de que s¨®lo comprendemos c¨®mo funciona una fracci¨®n muy peque?a de nuestro universo, la materia ordinaria, que constituye ¨²nicamente en torno al 5% del contenido energ¨¦tico del cosmos. La detecci¨®n y la caracterizaci¨®n de la materia oscura a trav¨¦s de sus efectos gravitatorios sobre la materia visible a escalas cosmol¨®gicas nos indica que hay nuevas part¨ªculas a¨²n no descubiertas. ?stas no interaccionan electromagn¨¦ticamente con la materia ordinaria para producir luz, de ah¨ª el nombre de materia oscura. Suponemos que sus interacciones son extremadamente d¨¦biles de modo que ser¨¢ muy dif¨ªcil detectarla. El LHC recrea en el laboratorio en regiones microsc¨®picamente peque?as las condiciones del universo muy temprano donde se podr¨ªan haber creado las part¨ªculas de materia oscura. Su producci¨®n y detecci¨®n es uno de los principales objetivos de esta nueva etapa.

La energ¨ªa oscura constituye otro de los llamados conocidos desconocidos, fen¨®menos de los que conocemos indirectamente su existencia pero desconocemos a¨²n su naturaleza. Sabemos algunas de su caracter¨ªsticas, como que se distribuye uniformemente por todo el espacio y que, al contrario de lo que ocurre con la materia y la radiaci¨®n, su densidad se mantiene constante con la expansi¨®n del universo. Esta energ¨ªa oscura, en este caso denominada oscura por su misterioso origen, parece permear todo el cosmos, al igual que el campo de Higgs, responsable de dotar de masa a las part¨ªculas elementales. Sin embargo, existe algo fundamental que no entendemos. La energ¨ªa que seg¨²n nuestras teor¨ªas actuales aportar¨ªa el campo de Higgs es inmensamente superior a la que realmente se obtiene a trav¨¦s de medidas cosmol¨®gicas para la energ¨ªa oscura. Este conundrum resulta altamente estimulante para la comunidad de f¨ªsicos de part¨ªculas. Parece, pues, que existen tambi¨¦n desconocidos desconocidos, lo cual nos garantiza el trabajo por mucho tiempo.

Extender las fronteras de la energ¨ªa y la intensidad nos permiten adentrarnos m¨¢s lejos y m¨¢s r¨¢pido en un territorio jam¨¢s explorado

A¨²n deben transcurrir unos d¨ªas de pruebas hasta que el acelerador alcance un r¨¦gimen de estabilidad e intensidad adecuado como para que los detectores puedan tomar datos aptos para los an¨¢lisis de f¨ªsica. Los primeros datos ser¨¢n de una importancia extraordinaria y los experimentos llevan meses prepar¨¢ndose para ello. La mayor energ¨ªa disponible en las colisiones puede permitirnos cruzar el umbral de producci¨®n de nuevos fen¨®menos y producir alguna se?al espectacular. Tras los datos iniciales, si no se observa nada nuevo, no hay que desesperarse. Ser¨¢ necesario acumular datos pacientemente para poder observar se?ales m¨¢s sutiles. Los pr¨®ximos a?os prometen ser de nuevo emocionantes. Los f¨ªsicos te¨®ricos siguen con expectaci¨®n las noticias de nuestra singladura, ya que se necesita la sanci¨®n del experimento para que sus teor¨ªas, por ahora literatura matem¨¢tica, asciendan a la categor¨ªa de F¨ªsica.

Jos¨¦ Mar¨ªa Hern¨¢ndez Calama es investigador del CIEMAT y miembro del experimento CMS del LHC.