El Higgs y el Grid. Buscando una aguja en un pajar

Se suele comparar la caza del bos¨®n de Higgs con la b¨²squeda de una aguja en un pajar. En ambos casos es necesario escudri?ar una enorme cantidad de paja para poder dar con lo que buscamos. Sin embargo, encontrar al elusivo bos¨®n ha sido enormemente m¨¢s complicado. En primer lugar debemos producir la aguja. En los aceleradores de part¨ªculas podemos convertir pura energ¨ªa en masa y viceversa gracias a la equivalencia masa-energ¨ªa que Einstein formul¨® con su famosa ecuaci¨®n E=mc2. Este truco nos permite materializar como por arte de magia al furtivo bos¨®n. Desafortunadamente, este no vive lo suficiente como para contarlo. Es extremadamente inestable -su ef¨ªmera vida dura menos de una trillon¨¦sima de segundo- y se desintegra inmediatamente. Por suerte, el rastro que deja en forma de part¨ªculas estables, como fotones o electrones, nos permite poner de manifiesto su fugaz existencia.

Por otro lado, al producir la aguja inevitablemente se produce tambi¨¦n una gran cantidad de paja. Aproximadamente solo en una de cada bill¨®n de colisiones originadas por el Large Hadron Collider (LHC) del CERN se puede llegar a producir y detectar el ansiado bos¨®n. Este es muy masivo, y para tener la posibilidad de generarlo es necesario acelerar y colisionar protones a energ¨ªas enormes que hab¨ªan sido inalcanzables hasta la fecha. Cada colisi¨®n de protones genera cientos de part¨ªculas cuyas trayectorias y energ¨ªas quedan registradas en los detectores. Entre esa mara?a de colisiones y part¨ªculas se esconde el bos¨®n fugitivo.

Para complicar a¨²n m¨¢s las cosas, el rastro que deja tras de s¨ª el bos¨®n de Higgs es muy parecido a las se?ales que producen en nuestro detector otras colisiones m¨¢s mundanas pero m¨¢s abundantes. En realidad, la aguja que buscamos no es tal, sino una brizna de paja de determinadas caracter¨ªsticas que se confunde f¨¢cilmente con el resto de la paja. Aqu¨ª entra en juego otra vez la magia de la mec¨¢nica cu¨¢ntica: su naturaleza probabil¨ªstica. Los f¨ªsicos de part¨ªculas, como buenos jugadores de dados, podemos calcular con precisi¨®n la frecuencia con la que se producen aquellas colisiones que mimetizan la se?al caracter¨ªstica que dejar¨ªa el esquivo bos¨®n. Un exceso significativo respecto al n¨²mero de se?ales esperado producidas por los procesos de fondo es un signo inequ¨ªvoco de la visita rel¨¢mpago del famoso bos¨®n.

A lo largo del ¨²ltimo a?o, el LHC ha sido capaz de producir 700 billones de colisiones, suficientes como para que el t¨ªmido bos¨®n asome la cabeza. Poniendo un s¨ªmil, este incre¨ªble n¨²mero de colisiones es equivalente al n¨²mero de granos de arena de playa que caben en una piscina ol¨ªmpica. El n¨²mero de bosones producidos equivaldr¨ªa a tan solo una pizca de esta arena. El rendimiento del acelerador ha ido mejorando con el tiempo por encima de las expectativas iniciales, llegando a alcanzar una intensidad m¨¢xima de 500 millones de colisiones por segundo. Cada colisi¨®n se registra como una sucesi¨®n de impulsos el¨¦ctricos en algunos de los cerca de 100 millones de sensores del detector, cual fotograf¨ªa tomada por una gigantesca c¨¢mara digital de 20 metros y 10.000 toneladas de peso que es capaz de fotografiar millones de veces por segundo. Un sistema electr¨®nico ultrarr¨¢pido descarta en tiempo real el 99,999% de las colisiones, solo almacen¨¢ndose en soporte magn¨¦tico unas 500 por segundo para su posterior an¨¢lisis. A¨²n as¨ª, el volumen de datos acumulados durante un a?o se eleva a millones de gigabytes.

Para almacenar, procesar y analizar tal ingente cantidad de datos ha sido necesario desarrollar y poner en funcionamiento una innovadora infraestructura de computaci¨®n, el llamado Worldwide LHC Computing Grid. El WLCG es una colaboraci¨®n global que une centros de computaci¨®n de todo el mundo a trav¨¦s de Internet usando redes de gran ancho de banda, unas mil veces m¨¢s r¨¢pidas que las que nos llevan Internet hasta nuestras casas. Los datos y los programas de an¨¢lisis discurren vertiginosos por esta red. El Grid de computaci¨®n de LHC tiene una capacidad actual de almacenamiento de 200 petabytes (millones de gigabytes) y 300.000 procesadores. Espa?a aporta el 5% de los recursos con centros en Barcelona (PIC, Universidad de Barcelona e IFAE), Madrid (CIEMAT, Universidad Aut¨®noma), Valencia (IFIC), Santander (IFCA), Oviedo y Santiago de Compostela.

La necesidad brutal de recursos de computaci¨®n necesarios para la explotaci¨®n cient¨ªfica de los datos tomados por los experimentos del LHC condujo a finales de los a?os noventa del siglo pasado a un grupo de cient¨ªficos, inspirados en la fiabilidad, ubicuidad y f¨¢cil acceso de la red el¨¦ctrica, a dise?ar y desarrollar un nuevo paradigma de computaci¨®n, el llamado Grid de computaci¨®n distribuida, que permitiera integrar, compartir y acceder a trav¨¦s de Internet a recursos heterog¨¦neos de computaci¨®n geogr¨¢ficamente distribuidos. A diferencia de la web, inventada en el CERN en 1989, en este caso no se trata de acceder ¨²nicamente a informaci¨®n, sino a la capacidad de c¨¢lculo y almacenamiento de millones de ordenadores que existen en la actualidad conectados a Internet.

Cuando hacemos uso de la electricidad, no nos preocupamos de c¨®mo se gener¨® ni de c¨®mo se distribuye. Simplemente conectamos el enchufe y la usamos. De manera an¨¢loga, el Grid hace posible el acceso f¨¢cil, transparente y uniforme a recursos de computaci¨®n distribuidos por todo el planeta. Este modo de computaci¨®n ha transcendido las fronteras de la ciencia. Ha evolucionado en lo que se conoce como Cloud Computing, o computaci¨®n en la nube, y grandes corporaciones, como Amazon, ofrecen servicios de pago de acceso a sus recursos de computaci¨®n en la nube.

El Grid de LHC ha sido una pieza esencial en el descubrimiento de una nueva part¨ªcula elemental anunciado por el CERN el pasado 4 de julio. Ha permitido que el an¨¢lisis de los datos se haya producido con una rapidez vertiginosa. El Grid ha hecho a la vez las funciones de pajar y de trillo y gracias a ¨¦l hemos podido encontrar la aguja.

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