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lunes, 31 de marzo de 2008

Largo, Hondo y Costoso

Esta de moda hablar sobre el LHC. Pero se preguntará, “¿y si esta de moda yo por qué no tengo ni idea de lo qué es?” La razón es simple: casí nadie en los medios masivos se refiere a él directamente por su nombre o lo mencionan solo por no dejar. Es común llamarlo “el más grande experimento científico de todos los tiempos” o “una monstruosa fabrica de agujeros negros microscopicos”. Es probable que usted haya leído, oído o visto recientemente en los medios algunas cosas sobre él sin haberlo nunca relacionado con su romántico nombre original, LHC.

Lo cierto es que este poco romántico nombre para el más Largo, Hondo y Costoso instrumento de todos los tiempos, abrevia la también poco comprendida designación en inglés de “Large Hadron Collider” (El Gran Colisionador de Hadrones).

Para estar a la altura de los tiempos quiero ofrecer aquí, de un lado, una guía rápida para comprender un poco qué es y “con qué se come” el LHC y de otro, una “mundana reflexión” sobre la desesperada y costosa búsqueda de lo que es ciertamente una necesidad fundamental de la especie humana: conocer la naturaleza en todo detalle así eso no contribuya (de forma inmediata) a mejorar la calidad de los zapatos que fabricamos o los edificios que nos dan cobijo.

¿Pero qué tiene que ver el LHC con astrofísica? Hasta donde creo deben saber, el LHC es un enorme laboratorio de física fundamental hecho en la Tierra, de modo que su conexión con el estudio del Universo no parece obvia. adelantándome les puedo decir que dentro de los detectores de este instrumento ocurrirá un milagro inimaginable: en mucho menos que un femtosegundo, en cada colisión, se reproducirán (de manera monitoreada) las condiciones mismas de la materia en el Universo cuando tenía apenas 1 micro segundo de edad. El LHC es por la misma razón un enorme experimento cosmológico. !El primero y tal vez el último!

Como siempre déjenme presentarles mis ideas en la forma de una lista de hechos concretos relacionados con el “aparatejo” este:

  • LHC en pocas palabras. El LHC es un enorme aparato (acelerador de partículas) que crea compactos haces de protones (núcleos de Hidrógeno), los acelera hasta una velocidad practicamente igual a la velocidad de la luz y los hace chocar frontalmente (de forma controlada y monitoreada) para estudiar el residuo invisible de este peculiar picodesastre.

  • El Hardware. Para conseguir su objetivo el LHC esta construido, como decimos en nuestra tierra, con lo “último en guarachas” tecnológicas desarrolladas en los últimos 30 años para producir, acelerar y observar los residuos de las colisiones de partículas subatómicas. En el inventario básico del hardware de este mega laboratorio se encuentran 7000 magnetos superconductores enfriados con Helio líquido (¡con razón se esta volviendo escaso!) que le permitirá a sus alambrados permanecer a algo menos de 2 grados Kelvin por encima del cero absoluto. Los magnetos que rodean los conductos por los que circularan las partículas se encuentran sepultados entre 50 y 175 metros en la roca, en el interior de un conjunto de túneles de los cuales el más importante forma una enorme circunferencia de casí 9 kilómetros de diámetro y 27 kilómetros de perímetro (sin contar con otros conductos “paralelos” y conectados que cumplirán sus propias tareas en el proceso de aceleración y producción de las partículas.) Si el LHC estuviera en Medellín (Colombia), la segunda ciudad más grande del país, rodearía prácticamente toda la ciudad.

    En 4 puntos estratégicos del “acelerador” (que es el nombre genérico que se da a estos enormes laboratorios de física fundamental) se han instalado 4 monstruosos instrumentos científicos encargados de la parte más importante: los experimentos. En el interior de esos instrumentos los protones chocaran contra sus propios iguales y producirán una innumerable lluvia de partículas de todos los tipos imaginables, partículas que dejarán registro directo o indirecto de su existencia en el hardware de esos “instrumenticos”.

    A todo esto hay que sumarle la enorme infraestructura de computo con la que cuenta la sede principal del CERN (Organización Europea para la investigación Nuclear) que estará los próximos años bastante ocupada analizando, clasificando, almacenando y distribuyendo la absurda cantidad de información que emergerá de los instrumentos cuando estén plenamente en operación.

    Todo lo anterior ha costado la “bicoca” de 4,000 millones de dolares (en realidad el Instrumento costo cerca de 6,000 millones pero 1/3 no más, se destino al pago del personal). Claro que con lo invertido en la guerra en Irak se pagarían 2 LHCs cada mes y Bill Gates podría financiar hasta 1 LHC en cada continente del planeta. ¡Igual es mucha plata!, sobre todo si se piensa que es, como diría mi abuelita, una maquina para pescar “pispirispis”

  • Los protagonistas. No, los protagonistas no son los más de 5,000 científicos, ingenieros, estudiantes y técnicos que trabajan y trabajarán en el instrumento los próximos años. Los protagonistas de esta historia son los 600 millones de protones que CADA SEGUNDO se desvanecerán en colisiones con una violencia sin precedentes, de forma casi continua durante los próximos 10 años (en un año hay 30 millones de segundos entonces haga la cuenta.)

    Viajando a una velocidad tan cercana a la velocidad de la luz que si se movieran 400 km/h más rápido alcanzarían a los fotones, 3,000 haces de 100 millones de protones viajarán continuamente en direcciones opuestas encontrándose cada 25 nanosegundos en el lugar exacto donde se encuentran los monstruosos instrumentos detectores. Cada uno de los haces tendrá una longitud similar a la de un alfiler y un grosor comparable a la de un cabello humano y durante el cruce de dos de ellos (cuando se encuentren de frente 100 millones de pares de protones) tan solo 20 colisiones tendrán lugar.

    Cuando este plenamente operativo la suma de toda la energía de los 3,000 haces de protones dentro de los anillos del acelerador será igual a la de 900 automóviles moviéndose a 100 km/h. Ni pregunten lo que costarán los servicios públicos del CERN durante la operación del LHC.

  • Una aguja en un pajar. La ciencia en el LHC se hará estudiando la incontable cantidad de información que emergerá de sus 4 instrumentos principales. Al chocar de frente, los protones, que están hechos por dentro de 3 quarks y de un mar ebullente de gluones (literalmente “partículas pegante”), dejarán de ser dos partículas para convertirse en una gota densa de quarks y gluones. De la región del impacto y debido a la energía enorme de la colisión emergerán a grandes velocidades una innumerable cantidad de nuevas partículas creadas “de la nada” amasando y “compactando” la energía de movimiento que transportaban previamente los protones.

    La posibilidad de crear en cada colisión un montón de nuevas partículas a partir de 2 miserables protones dotados de una cantidad enorme de energía es la clave fundamental del funcionamiento de los aceleradores de partículas. Este poder creador es explicado de un lado por la inexistente diferencia entre “masa” y “energía” descubierta por Einstein a principios del siglo XX. Antes de él creeríamos que del choque de los protones emergería solo una mezcla distinta de los mismos quarks y gluones que hacían a los protones inicialmente, llevando en total la misma energía de movimiento que traían los protones progenitores. Einstein descubrió que al mezclar en una colisión 2 partículas y mucha energía, al final sale del choque la misma cantidad de energía total (en la que se incluye la equivalente a la masa de las partículas usando la fórmula E = mc^2 ) pero distribuida posiblemente en otras formas de materia de las que entraron. De este modo parte de la energía implicada en una colisión muy violenta se convierte en nuevas partículas.

    El LHC es entonces una maquina creadora de nuevas partículas, algunas de las cuáles JAMÁS se han detectado en instrumento alguno en la superficie de nuestro planeta. Cada colisión en el LHC es entonces una regadera de miles de partículas que salen expelidas de la zona de impacto y que los detectores tendrían que recoger y analizar.

    Dos características importantes tendría este proceso creativo en el LHC. Primero, las nuevas partículas creadas en las colisiones no serían totalmente arbitrarias sino que obedecerían las reglas que rigen a las partículas y las fuerzas fundamentales, reglas que no conocemos completamente. Segundo la mayoría de las más exóticas partículas creadas en la colisión viven tiempos increíblemente cortos de modo que en realidad lo que recogerían los detectores en la mayoría de los casos serían las cenizas de su descomposición.

    Difícil es entonces el trabajo que enfrentan los operadores de los detectores que deberán recoger las partículas, identificar sus propiedades (energía, dirección de proveniencia, carga eléctrica, por ejemplo) y en lo posible estimar el proceso específico en el que cada una de ellas pudo ser creada.

  • No hay cama” para tanto bit. Si construir un túnel de 27 kilómetros de longitud a casi 100 metros de profundidad para que no circule ni un solo camión de leche por él (en realidad una buena parte de los túneles ya existía para otros instrumentos), llenarlos con conductos que encajan de forma ultra precisa, congelar a su alrededor cables superconductores (¡y que no se averíen en el proceso!), construir detectores colosales (uno de ellos es tan grande como una catedral y otro pesa lo mismo que la torre Eifel) y posicionarlos con precisión de micrómetros, no es ya una hazaña tecnológica y científica, lo que sigue no es para nada una bicoca.

    Una vez se “prenda” el acelerador y los detectores empiecen a recoger datos, literalmente, “no habrá cama” para tanto bit. En uno de los más grandes detectores, un solo evento producirá 1.5 mega bytes de información (1 byte equivale a 8 unidades elementales de información). Operando a toda máquina los 2 detectores más grandes producirán tanta información que si se almacenará en el acto lo que los detectores producen llenarían 100,000 CDs CADA SEGUNDO. Si se apilarán esos CDs los científicos del CERN podrían hacer una torre que llegaría a LA LUNA tan solo con los datos de los primeros 6 meses de operación. El LHC producirá en un año una cantidad de información mayor que la totalidad de la información contenida en la web en el presente.

    ¿Qué “disco duro” podrá almacenar tanta información? El proyecto del LHC no solo ha exigido la creación de algunos de los más grandes y sofisticados instrumentos construidos desde el principio de la historia. También exigió que las redes de datos que interconectan los grandes centros de computo europeos y americanos se robustecieran al grado de soportar “el voltaje” de datos que emergerá del instrumento una vez se ponga en operación. En una prueba hecha hace un par de años se demostró como a través de una de esas redes de datos se podría transferir el contenido completo de 1 CD-ROM desde Francia a Inglaterra en tan solo UN SEGUNDO (con una conexión de Internet de alta velocidad es necesario casi una hora para hacer esa transferencia.) Con una enorme red de centros de almacenamiento y computación alrededor de Europa y del mundo en general el LHC espera convertir al continente europeo en el mayor disco duro del mundo.

  • Antes de LHC y después del LHC. ¿Pero, para qué un despliegue tan abrumador de ciencia y técnica? Esa es la pregunta del millón (¿o mas bien del billón?)

    La búsqueda de las leyes que rigen el funcionamiento de las “fuerzas” fundamentales de la naturaleza ha mantenido ocupado a los físicos por casi un siglo. Complejas y poderosas teorías científicas se han creado y validado en aceleradores de partículas y a través de otra evidencia directa e indirecta (en parte proveniente de observaciones astrofísicas.) Sin embargo algunas cosas todavía no encajan perfectamente bien en estas teorías y otras sencillamente no pueden ser explicadas por ellas. Este es (en MUY pocas palabras) el estado de cosas en la física fundamental antes de que el LHC empiece a funcionar.

    ¿Qué pasará “un día” después de que el más grande instrumento científico de todos los tiempo sea encendido? “Hagan sus apuestas” dice la comunidad científica. Dos de las más importantes cosas que espera encontrar la comunidad de físicos que ansiosos se reúnen alrededor de los instrumentos esperando la hora cero son: primero, comprobar, definitivamente la existencia de una elusiva partícula que si la teoría de las interacciones fundamentales es cierta debería producirse “copiosamente” durante las colisiones de los protones en el LHC (se espera que se produzcan 2 ejemplares de la partícula más o menos cada segundo). Su romántico nombre es el “bosón de Higgs”. Pero, ¿por qué es necesario construir un LHC para producir una partícula como el Higgs? Por una razón simple: el Higgs es una partícula muy “pesada” (casi 200 veces más masiva que un protón) y se necesita mucha energía para “fraguar” un solo ejemplar, energía que estará disponible en las colisiones del LHC.

    Por su propio peso y propiedades particulares, sin embargo, el Higgs es altamente inestable y si se lo deja a su suerte desaparece en un tiempo increíblemente corto. En realidad lo que se espera detectar en el LHC son las cenizas de los Higgs, los rastros que nos demuestren que existe pero que además nos digan cuanta masa tiene. Esta bien, pero invertir 6,000 millones de dolares para crear “pispirispis” no parece una empresa muy loable, ¿o sí?. No, si “el pispirispi” no fuera, tal vez, la partícula más importante del Universo.

    La existencia del Higgs se adivino hace más de 40 años. Quienes propusieron su existencia demostraron que ella sería la única manera para explicar por qué la electricidad y el magnetismo “se ve” tan distinta a las fuerzas nucleares, si hoy sabemos que tanto las fuerzas electromagnéticas como la fuerza nuclear débil son dos caretas de la misma interacción fundamental: la fuerza electrodébil.

    El Higgs juega un papel fundamental para diferenciar a las fuerzas: es el responsable de que las partículas que participan en ellas se “sientan”, se “vean”, se “pesen” distintas. La masa de un electrón, su inercia a ser movido, según explica esta teoría, no es una propiedad fundamental en él. En condiciones normales el electrón se mueve en lo que parece un vacío alrededor suyo pero que en realidad esta lleno de lleno de partículas virtuales de Higgs con las que interactúa y que lo hacen parecer resistir el movimiento. Es como si esos Higgs virtuales se comportarán como un pantano que rodea “los pies” de las partículas y les impide moverse a la velocidad de la luz. Distintas partículas tienen distinta resistencia al movimiento y por lo mismo parecen tener distinta inercia. El Higgs ha sido llamado la partícula de dios y si se detecta será la comprobación definitiva de uno de los más importantes pilares de la física fundamental (además de que seguramente asegurará a su descubridor el preciado premio Nobel.)

    La segunda cosa que se espera “validar” o “descartar” con el LHC es una modificación o extensión a las modernas teorías de las fuerzas fundamentales que se ha resistido a una comprobación experimental hasta ahora (¡esperamos!) Según esta teoría las partículas que forman nuestro mundo (electrones, quarks, neutrinos) son una de las copias de un par de partículas creadas normalmente cuando la energía de las colisiones es extremadamente alta. Esas otras partículas (llamadas también los s-partners) serían sin embargo extremadamente pesados y en su mayoría altamente inestables, lo que explicaría porque no existen abundantemente en la naturaleza. La misma teoría predice también que algunos de los s-partners de partículas bastante normales (el neutrino y el fotón por ejemplo) podrían ser estables y sobrevivir después de ser creadas. La una única condición para que ello pueda ser viable es que los s-partners estables fueran prácticamente “invisibles” y no participaran de la dinámica de la materia convencional (sino ya los habríamos notado.)

    De ser todo esto cierto el LHC sería una fábrica de s-partners y los detectores podrían comprobar la existencia de esas partículas a partir de sus cenizas. Mejor aún, la nueva teoría podría explicar el origen de la “materia oscura” que corresponde al 22% de toda la masa del Universo, aduciendo que los s-partners estables producidos en la infancia del Universo estarían todavía por ahí contribuyendo con su masa al “peso” del Universo. ¡Realmente importante!

    Estas son dos de las más importantes cosas que se conseguirían (contando con suerte) una vez el LHC empiece a “eruptar” datos. Naturalmente no serían las únicas (y para algunos puede que hayan cosas más importantes) pero podría decirse que es más o menos lo que la mayoría de los mortales necesitamos saber.

¿Y dónde entra la Astrofísica o la Cosmología en esta historia? Las etapas definitivas de la vida del Universo estuvieron dominadas por las rarezas que nos depara el mundo subatómico. Las características fundamentales de nuestro Universo, como por ejemplo el por qué contiene materia y no antimateria (por “simetría” se esperaría que el número de la una y de la otra fuera idéntico y al tiempo de hoy estuviera hecho únicamente de radiación), por qué se expande como lo hace, por qué se produjo la combinación precisa de protones y neutrones que vemos en el presente y que garantiza que la química del Universo sea la que observamos, de que esta hecha el 75% de la materia del Universo (tan solo el 25% de la masa en forma de materia esta representado por protones y neutrones, el resto es materia oscura que seguramente se creo antes del primer microsegundo y en procesos similares a los que tendrán lugar en el LHC); estas son algunas de las preguntas que podría resolver LHC y que darían un empujon muy importante al desarrollo de la cosmología contemporánea.

La mirada única que en cada colisión en el LHC tendríamos al tipo de procesos básicos que se produjeron cuando el Universo tenía apenas 1 microsegundo, será una ventana al Universo temprano que es prácticamente imposible de abrir de otro modo. Esta ventana hace del LHC un verdadero laboratorio de cosmología.

No quiero dejar esta muy sencilla presentación del Largo, Hondo y Costoso instrumento que en julio o agosto de este año empezará a desbaratar protones dentro de la roca en las afueras de Ginebra, sin hacer una reflexión o presentarles mis impresiones ante la cuestión de si vale la pena o es “importante” invertir tanto esfuerzo y dinero en un proyecto tan “sui generis” como el LHC, que busca resolver problemas y enigmas de lo que cualquiera podría mirar como una reducida comunidad académica en la física.

Piensen en solo una cosa: ¿quienes se benefician del LHC? Los físicos de partículas y los cosmologos. BASTA. Si lo comparamos con proyectos tan colosales y costosos como la construcción de un estación espacial internacional o las misiones a la Luna, la construcción de grandes observatorios astronómicos en Tierra y el espacio, la secuenciación del genoma humano, entre otros, el LHC sale perdiendo. La mayoría de esos otros instrumentos normalmente benefician a una MUY AMPLIA comunidad de expertos y en algunos casos tienen impactos directos en la sociedad. Siempre me he imaginado en las dificultades que los promotores de un proyecto como este podrían tener para tratar de vender en paises como los nuestros una idea que para el político, el administrador local, sería tan loca como la de invertir el presupuesto completo de una pequeña nación tan solo para producir 60 millones de Higgs al año, todo con el agravante de saturar de forma abominable todos las redes de datos compartidas por varios paises y los centros de cálculo conectados a esas redes.

Pero siempre hay un argumento (para mi un poco trasnochado) que emerge cuando se plantean estas preguntas incomodas. No sabemos todavía, reza el susodicho argumento, que impacto práctico tendrá en 50 o 100 años saber que el Higgs existe, reconocer que una parte fundamental de nuestras teorías sobre las fuerzas fundamentales esta en lo cierto. Lo que hoy parece “poesía” o conocimiento puro en un siglo puede ser la base del desarrollo tecnológico. La historia parece darnos ejemplos fehacientes de esto. El electromagnetismo de Maxwell y la predicción de la existencia de ondas electromagnéticas en los 1840s era apenas una curiosidad, una “locura” para el público o el político a mediados del siglo XIX pero hoy el mundo sería impensable sin ese descubrimiento. La física atómica y la mecánica cuántica en su base, era tan solo una curiosa revolución científica en los años 20 pero hoy es la condición definitoria de la vida moderna (procesadores superrápidos, IPODs más pequeños, láseres, etc.) Esta bien. Pero yo soy más pesimista en este caso. Sea que se descubra el Higgs, sea que no, 100 años en el futuro este descubrimiento no nos permitirá hacer, como decía al principio, mejores zapatos, máquinas voladoras o tele transportación. No, yo realmente creo que no sirve para nada de eso.

Pero no hay que olvidar que “ser útil” es solo una de las facetas de la exploración científica. El poder de manipular y transformar el mundo, que el conocimiento científico da al hombre para hacer más placentera la vida en el planeta, es tan solo una de las consecuencias de la investigación científica.

En la raíz misma del quehacer científico hay solo una necesidad: la más pura e inútil curiosidad. Es hora de que reconozcamos abiertamente y lo gritemos a voz en cuello incluso en la cara de los que definen las políticas públicas, que se hace ciencia para satisfacer una necesidad fundamental humana, algo que esta arraigado en nuestro ser como la necesidad de reproducirse, de alimentarse o de sobrevivir. No importa que no tenga relevancia social, ni humana, ni productiva, ni ambiental (Si!, ¡aún por eso preguntan ahora cuando se formula un proyecto científico!)

El LHC no sirve para absolutamente NADA distinto de satisfacer plenamente la intensa y BIOLÓGICA necesidad de los seres humanos de entender con precisión las reglas que rigen el mundo.


Jorge Zuluaga
Medellín - Colombia

Imagenes:
http://faculty.fullerton.edu/cmcconnell/304/LHC.htm
Una fotografía aerea de la zona donde esta instalado el LHC en Ginebra, Suiza. Superpuesto el perímetro del anillo principal y los puntos donde se instalarán los instrumentos

http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/images/cern-photos/lhc_underground.jpg

Algunas fotografías del interior de los túneles por los que circularán los protones

http://popsci.typepad.com/photos/uncategorized/2007/06/27/cms.jpg
Una impresionante fotografía del imponente CMS (Compact Muon Solenoid) uno de los detectores del LHC.

Para saber más:


6 comentarios:

jorge johnson dijo...

excelente artículo.
voy a poner un link en el grupo facebook "La astronomía forma parte de mi vida".
http://www.facebook.com/group.php?gid=21087195800

saludos.
jorge johnson.

Eta Carinae dijo...

Oh, y qué pasó con los agujeritos negros? Esperaba un comentario sarcástico al respecto. ¿Los ignorantes como yo debemos temer, jajaja?

Quijote Shin dijo...

Wow en realidad me dejaste en boca abierta, llego a concluir lo mismo que tú, en realidad preguntarse de que sirve hacerlo /haberlo hecho lo podrán hacer las generaciones futuras, quien sabe si llegan a manipularlo, algo tan elemental, provoque en cadena un fin existencial.

jcamiloacero dijo...

Excelente artículo... quedé impresionado de la capacidad de resumir algo tan completjo (complejo y completo) en un gasto de 6000MM USD para buscar pispirispis.

Libido Pills dijo...

Muy interesantes tus ideas del "aparatejo", de verdad me encantó la forma de como lo resumiste.

Viagra Without Prescription dijo...

Te felicito, un resumen increíble, además considero que no dejaste por fuera ningún detalle.

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