Se reinicia el mayor experimento de la física

Un 4 de julio, pero de hace diez años, una reunión científica televisada en directo desde el Centro Europeo para la Investigación Nuclear tuvo tanto rating como el campeonato mundial de fútbol. Con la presencia de los cuatro físicos que habían planteado su existencia medio siglo antes (Peter Higgs, François Englert, Carl Hagen y Gerald Guralnik), se anunció la detección de la pieza que faltaba en el rompecabezas subatómico, el bosón de Higgs.

Fast forward y el 5 de julio de este año, apenas unas horas después de que se celebrara en todo el mundo la década transcurrida desde ese histórico hallazgo, haces de protones volvieron a acelerarse hasta alcanzar casi la velocidad de la luz y chocaron contra los que venían en sentido contrario en el túnel del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, según sus siglas en inglés), el gigantesco anillo de 27 km de circunferencia sepultado a alrededor de 100 metros por debajo de la superficie en la frontera franco-suiza, en el que intentan acercarse a las condiciones existentes instantes después del Big Bang. Volvió a ponerse en marcha con una energía jamás alcanzada antes (13,6 teraelectronvoltios) una de las obras de ingeniería más complejas que existen, que estaba detenida desde 2019 para introducirle mejoras. A las 4.47 pm hora de Ginebra, los físicos encendieron sus detectores para volver a tomar datos después de una “parada técnica” .

“Cuando pensamos en estos diez años que transcurrieron, es tanto el camino recorrido que uno se sorprende por lo naturalizada que está esa partícula cuya existencia estábamos tratando de probar –se sorprende María Teresa Dova, investigadora superior del Conicet y  profesora titular en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Nacional de La Plata, donde dirige uno de los equipos argentinos que participó en el hallazgo–. En este tiempo, sólo con [el detector] Atlas publicamos más de mil trabajos que recibieron unas 130.000 citas. No son todas sobre el Higgs: hay también sobre física de la supersimetría, sobre materia oscura y otros temas. Uno de los logros más grandes fue haber podido observar todos los mecanismos fundamentales que tiene el Higgs; por ejemplo, cómo decae, en qué partículas se desintegra. Eso implica un trabajo de ingeniería de datos que es difícil de transmitir. Sabemos que la masa de las partículas elementales depende de su interacción con el campo de Higgs. Cuanto más interactúa una partícula, más masa adquiere. Pudimos estudiar la jerarquía de la intensidad de los acoplamientos relativos del Higgs con cada partícula. Desde la más ‘pesada’, que es el quark top,  hasta lo más ‘liviano’ que podíamos medir, que son los muones. Y es asombroso porque, dentro de las incertezas experimentales que tenemos, nos da una consistencia abrumadora con el modelo estándar de la materia. Ver esos decaimientos fue casi tan importante como haber descubierto la partícula, porque era la primera vez que se observaba ese tipo de procesos”.

Los ladrillos de todo

Para la teoría más exitosa de la historia de la física, la materia está compuesta por partículas sin tamaño. La masa se define como la medida de lo difícil que es acelerar un objeto: que A tenga el doble de masa que B significa que hay que hacer el doble de fuerza para ponerlo en movimiento. El campo de Higgs es como una especie de «melaza cósmica» que impregna el espacio-tiempo y frena las partículas generando un efecto equivalente a la masa: cuesta más mover las partículas que más interactúan con esa melaza, o sea, con el Higgs.

Setenta años después de que en 1932 se planteara este modelo, la física tenía un esquema que explicaba de qué está hecho el universo al que le faltaba completar un solo casillero: se habían descubierto seis quarks y seis leptones, cada uno con su antipartícula, y los mediadores de las fuerzas fundamentales, que son bosones. La existencia del bosón de Higgs se planteó para darles consistencia matemática a dos de las fuerzas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo y la fuerza débil. La fuerza electromagnética es la que interviene en la formación de los átomos, y la débil tiene que ver con el decaimiento atómico (el proceso que se mide para la datación de fósiles con carbono 14, por ejemplo, o que hace brillar al Sol). La fuerza electromagnética es de alcance infinito, porque su mediador es el fotón, que tiene masa cero. Pero como la fuerza débil es de corto alcance, se pensó que sus mediadores, las partículas W y Z, tenían que ser muy masivas. Para darles masa se introdujo el mecanismo de Higgs. Pero, claro, había que confirmarlo. Eso fue precisamente lo que lograron los miles de científicos, técnicos e ingenieros de todo el mundo que trabajan en este experimento monumental.

La teoría postula que una infinitesimal fracción de segundo después del Big Bang (10-11, o 0,00000000001 seg) el universo hace una transición de fase. “En ese instante sabemos que hay un campo que permea todo el universo, el campo de Higgs –explica Dova–. En la teoría de campos cuántica, por cada campo, tenemos una partícula y por cada partícula un campo. Por ejemplo, el campo del electrón. La perturbación localizada del campo del electrón es el electrón. El campo de Higgs podría imaginarse como un lago tranquilo. Si uno le tira una piedra, de alguna manera le da energía y salta una gota. Esa sería la partícula de Higgs; el bosón de Higgs es una excitación de ese campo primordial. Su descubrimiento nos permitió probar la existencia del campo del mismo nombre, que a su vez hace que el mundo sea como lo vemos. En el Big Bang, las partículas nacen sin masa. Entonces, si una partícula tiene masa en reposo cero, se mueve a la velocidad de la luz y solo a la velocidad de la luz, como pasa con el fotón. Si todas las partículas se movieran a esa velocidad, nunca se hubiera formado un átomo. Pero al interactuar con el campo de Higgs adquieren energía y esa energía es la masa de las partículas. Por eso es crucial”.

La tarea fue ciclópea. “Uno tiene que dilucidar entre miles de millones de datos si lo que se mide es algo nuevo o apenas una fluctuación –destaca Ricardo Piegaia, investigador del Conicet, docente del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas de la UBA y jefe de otro equipo que también participa en el experimento Atlas–. Es como buscar una hojita en una enorme biblioteca, que es lo que nosotros llamamos el ‘ruido de fondo’”.

Desafío sin precedente

En la nueva “corrida” (o run, como la llaman en inglés), los experimentos se van a suceder durante cuatro años con una cantidad de colisiones, desintegraciones e interacciones 20 veces mayor que en las anteriores.

“Estamos expectantes ante lo que pueda arrojar esta nueva etapa –confiesa Dova–. Uno de mis estudiantes ya está allá. No solo seguimos participando, sino que en el próximo paso (Run 4), que los ingenieros están preparando, lo que se llama el high luminosity LHC, o LHC de alta luminosidad, el número de colisiones va a ser tal que en un año vamos a colectar la misma cantidad de datos que los que obtuvimos desde 2010 hasta dentro de tres años”.

Es un desafío tecnológico sin precedentes y, si todo sigue como se espera, los científicos argentinos por primera vez van a contribuir no solo con análisis de datos sino también con hardware.

“Con enorme esfuerzo logramos armar un laboratorio en el Instituto de Física de La Plata, y pudimos contratar como personal de apoyo del Conicet a un ingeniero que en este momento está en el Brookhaven National Laboratory de los Estados Unidos terminando de trabajar en el diseño de componentes electrónicos de alta complejidad para el sistema de detección del Atlas –cuenta Dova–. Después, tenemos previsto que ese subsistema se va a producir en industrias locales”.

Por su parte, Piegaia está al frente de un grupo de seis docentes y cuatro estudiantes y espera también con gran ansiedad la próxima ‘corrida’. “En ese momento va a haber una multiplicación por diez de ‘luminosidad’, con lo cual los análisis van a ser diez veces más difíciles –subraya–. Va a ser distinta la selección de eventos, porque  la cantidad de los interesantes se multiplica por diez, pero también el fondo. Al principio, cada vez que había un cruce teníamos tres choques de protones. Más o menos 1011 protones (un 1 seguido de 11 ceros o 100.000.000.000) contra 1011. Ahora va a haber 300. O sea, cada 25 nanosegundos,  cada siete metros, vienen protones que chocan contra los que se aceleran del otro lado. En cada uno de esos cruces vamos a tener 300 choques entre los cuales habrá que distinguir los eventos interesantes de los que no lo son”.

Pero el LHC no solo se ocupará del Higgs. También  intentará detectar materia oscura, de la que se cree que compone el 27% del universo, aunque nuestros instrumentos no pueden detectarla (de allí su nombre).  En el CERN se está intentando “fabricar” materia oscura de alta masa, hasta ahora sin resultados positivos, pero está abierta la posibilidad de que sus hallazgos obliguen a replantear la física conocida.

“Para nosotros, participar en algo así es fantástico –afirma Dova–. El espíritu de estas colaboraciones es que si hay un país que quiere aprender, incorporar nuevas tecnologías, se lo ayuda. Por ejemplo, los módulos que estamos desarrollando son para señales ultrarrápidas y de alta frecuencia que tienen aplicaciones en la industria aeroespacial y en otros campos”.

“Ahora uno mira para atrás y piensa: ‘Claro, tenía que estar’ –recuerda Piegaia–. Pero en ese momento, cuando empezaron a entrar los datos, era una incógnita. Además, no se trata, solo de si existe o no, sino de probar que se produce de una manera precisa, que decae como se había postulado… Todo eso se midió y fue exactamente como predecía la teoría. Y eso por un lado es fabuloso, y por el otro, no. Tiene que haber más física de la que tenemos  ahora. El problema a fines del siglo XIX es que había dos teorías que funcionaban perfecto, la teoría de la dinámica de Newton y el electromagnetismo de Maxwell, que eran incompatibles entre sí. Y gracias a tener dos teorías incompatibles fue que a Einstein se le ocurrió la relatividad. Hoy sabemos que hay un momento en que el modelo estándar tiene que empezar a dar mal. Cuando ocurra, allí tendremos que explorar. Y el Higgs es uno de los lugares más probables; o sea, hay expectativas de que, a medida que las vayamos midiendo con más precisión, encontremos discrepancias en alguna de las propiedades del Higgs. Sería genial”.

Y concluye: “Me acuerdo que el momento de mayor emoción fue cuando empezaron a entrar los datos, un año o dos antes de la rueda de prensa. Estábamos viendo experimentalmente lo que estaba en el papel y parecía una locura. Esa es la belleza de la física, la maravilla de la ciencia. Amo la ciencia. Es fascinante, fascinante”.