La Gran Ciencia (Big Science)

Se suele llamar Gran Ciencia (Big Science) o “Megaciencia” a aquella que persigue cuestiones fundamentales y que curiosamente suele costar un montón de dinero (Big money). Podemos poner como ejemplo el genoma humano, la energía de fusión, la exploración del universo… y la búsqueda de los componentes últimos de la materia: las partículas elementales.

Hablando de partículas elementales, leo en https://www.xataka.com y en otros sitios web que el CERN (El Centro Europeo de Investigaciones Nucleares) requiere 21.000 millones de euros para construir un nuevo acelerador más grande que su actual LHC (Gran Colisionador de Hadrones) con el que finalmente se encontró el famoso bosón de Higgs, al que algún periodista calificó de “partícula de Dios” para vender más ejemplares. Este es claramente un ejemplo de “Big Science”, al menos el presupuesto es grande, pero no estoy muy seguro de que, caso de construirse, lo fueran los resultados. No lo veo razonable, la verdad.

El curioso lector pensará: ¿Por qué un científico, como se supone que soy, tira piedras contra una inversión en ciencia como ésta?. ¿Envidia?, ¿mediocridad?, ¿despecho por lo poco que le dieron a él cuando pedía proyectos?. No puedo excluir absolutamente alguna de estas componentes en mi apreciación, pero creo que puedo argumentar  mi desacuerdo  “científicamente” y someterlo a crítica tal como hacemos casi todos los científicos en el ejercicio en nuestro trabajo cotidiano. Otro día podemos hablar de la financiación de la Ciencia en España. También se puede argumentar científicamente sobre ello.

Hablando del CERN, diré para los lectores no iniciados que es un consorcio europeo que opera el acelerador LHC y tiene un presupuesto anual del orden de 1.000 millones de Euros. Un acelerador es simplemente un aparato para producir partículas que llevan una gran velocidad (acelerándolas, claro). Cuanto mayor es la velocidad, y por tanto la energía, de las partículas más pueden acercarse y penetrar en el interior de otras cuando chocan con ellas. Esta es la forma, bastante burda ¿verdad?, que tenemos los físicos de estudiar los entresijos de la materia. Parece mentira pero se puede saber mucho sobre los detalles más íntimos de las partículas con este método de producir choques brutales y ver qué trozos salen despedidos. El LHC es el acelerador más potente del mundo. Tiene forma de una rosquilla  gigantesca de 27 km de circunferencia y está enterrado en un túnel subterráneo en la frontera entre Francia y Suiza, como se muestra en la fotografía de cabecera de esta entrada. Sus detectores pesan miles de toneladas y alcanzan alturas de más de 50 metros.

El detector “ATLAS” del LHC en el CERN. La persona permite estimar su tamaño (https://stfc.ukri.org/stfc/cache/file/6D304BC8-A06D-4FA6-BD3260D3A74CF07E.jpg)

En un principio se proyectaron dos aceleradores, el LHC europeo y el SSC (Super-Colisionador Superconductor) norteamericano. Los dos iban a ser muy similares y carísimos, entre otras cosas por la necesidad de utilizar imanes superconductores para curvar la trayectoria de las partículas y poderlas impulsar cada vez que pasan por un acelerador eléctrico, hasta alcanzar las energías previstas. Pronto se vio que en realidad se iban a construir dos máquinas gigantescas para descubrir o “crear” una sola partícula: El famoso bosón de Higgs, ya que ésta era la última partícula que quedaba por descubrir, dentro del “modelo estándar” de las partículas elementales, el único validado experimentalmente hasta entonces y hasta hoy día. Verdaderamente hacer dos máquinas de tal magnitud para obtener una sola partícula nueva podía ser demasiado. Los americanos, más pragmáticos, llegaron a la conclusión de que no merecía la pena y el Congreso cortó los fondos para el SSC, dejando libre el camino a los europeos. Precisamente Peter W. Higgs, un físico británico había predicho la partícula ya en 1964 y por eso lleva su nombre. Efectivamente el 4 de Julio de 2012, casi medio siglo después de la predicción, el CERN anunció el descubrimiento de la partícula, tras analizar un gran número de experimentos  llevados a cabo en el LHC. La energía necesaria para “crear” un bosón de Higgs es de unos 125 GeV (125 Giga electronVoltios, ó 125 miles de millones de electronvoltios, siendo un electronvoltio la energía que adquiere un electrón, o un protón, en una diferencia de potencial de un Voltio). Pero para llegar a “producir” el bosón de Higgs el LHC ha necesitado acelerar dos haces de protones a 7 TeV (7 Tera electronVoltios ó 7mil Giga electronVoltios) y hacerlos chocar frontalmente para disponer de un total de 14 TeV de energía en el choque.

El nuevo acelerador que propone el CERN tendría 100 km de circunferencia y alcanzaría una energía total de 100 TeV para choques frontales. Este acelerador se propone en principio para producir gran cantidad de bosones de Higgs y estudiar sus propiedades con mayor detalle. Como ésta es una justificación bastante débil para gastar 21.000 millones de Euros, la segunda idea es trascender el modelo estándar de partículas y explorar lo que hay más allá. Ciertamente el modelo estándar no lo explica todo y existen  teorías alternativas que intentan superarlo y completar su alcance.

Desgraciadamente estas teorías son difíciles de contrastar experimentalmente. Alguna de ellas ya ha sido descartada tras fracasar los costosos experimentos que trataban de comprobarla, midiendo por ejemplo la vida del protón con gigantescos tanques de líquido centelleador enterrados bajo km de montañas para detectar su posible “muerte”. Pero nunca fue detectada por lo que dicha teoría, muy bella matemáticamente, hubo de abandonarse. Otras teorías parecen incomprobables, pues los teóricos aún no han conseguido calcular nada concreto que se pueda contrastar. Finalmente algunas teorías predicen nuevas partículas que podrían descubrirse contando con más energía de aceleración. ¿Cuánta energía? preguntaría el lector avispado. Pues la verdad no se sabe muy bien pero parece que la partícula más fácil de poderse detectar (si existiera) necesitaría bastante energía, como unos 1.000 TeV o más, muy lejos de lo que podría alcanzar la nueva máquina del CERN. Ya en 1954, Fermi había explorado la posibilidad de construir un acelerador que tuviese la circunferencia del ecuador de la Tierra . Con este acelerador y un campo magnético de 2 Tesla, el máximo que se podía producir de manera estable en aquél tiempo, alcanzaría una energía de 5.000 TeV. Hoy en día  podríamos utilizar imanes superconductores y multiplicar esta energía por 5. Esa energía si que podría, quizá, abrir una nueva era en la física de partículas. Fermi pensaba que un acelerador como el que describía se podría construir en 1994 y que costaría unos 170 millones de dólares. El LHC empezó a funcionar en pruebas en 2008, costó 50 veces más y solamente alcanza una energía 700 veces menor que el de Fermi. La nueva propuesta del CERN sería muchísimo más cara para no llegar tampoco a una energía rompedora. Un acelerador que rodee la Tierra no está al alcance de la economía mundial y, aunque lo estuviese, sería difícilmente justificable socialmente, pues las nuevas teorías (o los proyectos de teoría) no ofrecen ninguna perspectiva de mejora de la producción de energía o de adelantos en otros campos de interés para la humanidad.

¿Debemos pues abandonar la investigación más allá de los conocimientos presentes y conformarnos con una descripción del mundo no exenta de incoherencias y zonas inexplicables?

¡NO! por supuesto. El universo nos proporciona aceleradores galácticos muchísimo más potentes que el mayor acelerador que podamos construir nosotros. Continuamente los rayos cósmicos que llegan a la Tierra traen protones (no muchos, es verdad) con energías gigantescas, no solo de miles sino de millones de TeV, provenientes de “aceleradores” cósmicos[1]. Se cree que la fuente de energía de estos aceleradores cósmicos es la gravitación. Los gigantescos colapsos gravitacionales de las supernovas o de los procesos de acreción de agujeros negros supermasivos (con millones e incluso billones de masas solares) pueden ser los que transfieran la extraordinaria energía gravitatoria, mediante mecanismos aún no bien conocidos, a las partículas de los rayos cósmicos.

Energías de los rayos cósmicos. La energía del LHC está millones de veces por debajo de las máximas energías en el cosmos

Una propuesta sensata para adentrarnos más allá del modelo estándar de partículas elementales seria, pues, potenciar la investigación de la radiación cósmica mediante detectores incluso fuera de la atmósfera, es decir en órbita, y esperar a encontrar así alguna pista sobre las nuevas posibles partículas antes de tratar de construir, a expensas de presupuestos fabulosos, aceleradores terrestres que no van a rascar siquiera la superficie de la nueva física puesto que, por mucho que se adelante en la tecnología de aceleradores terrestres, los aceleradores cósmicos van a superarlos siempre en energía. Pero por ahora el estudio de los rayos cósmicos no ha descubierto tampoco nada fuera del modelo estándar de partículas elementales. Pero es esto o esperar a que se descubra algún nuevo método que permita acelerar partículas a energías de miles de TeV sin necesidad de construir aceleradores que rodeen el ecuador de la Tierra (cosa poco probable, al menos en lo que queda de siglo XXI).


[1] Introduction to Particle and Astroparticle Physics”, Alessandro De Angelis & Mário Pimenta, Springer 2018

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