¿De qué estamos hechos? Es una pregunta que, para algunos, no tiene respuestas o consideran que es una pregunta sin sentido. Pero detrás de ella se puede encontrar la más alta complejidad, el estudio de la materia, de cada partícula.
Es por eso que me puse en contacto con el CERN (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear) así que agradezco infinitamente a Anaïs Gerard de la Oficina de Prensa del CERN por contactarme con la investigadora (física de Partículas) Reina Camacho Toro asociada al LPNHE-CNRS, Sorbonne Université, que trabaja con experimento en el ATLAS del CERN, quien tiene un gran prestigio y experiencia en la ciencia de partículas. Sin más que decir, y extremadamente feliz por esta entrevista, indaguemos en las respuestas de Reina.
D.L: ¿Cuál es el objetivo principal del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y cómo ha contribuido a nuestra comprensión del Universo?
R.C.T: El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) es el acelerador y colisionador de partículas más grande y potente del mundo. El LHC consiste en un anillo de 27 kilómetros de imanes superconductores con una serie de estructuras aceleradoras para aumentar la energía de las partículas a lo largo del recorrido. Ha estado colisionando partículas desde el 2008 y se espera que siga en funcionamiento hasta finales de los 2030. Y nuestro interés es entender ¿qué pasa en esas colisiones? ¿qué otras partículas se producen? ¿y cómo estas partículas fundamentales interactúan entre sí?
Desde la década de 1970, los físicos de partículas han descrito la estructura fundamental de la materia mediante una elegante serie de ecuaciones denominada Modelo Estándar. El modelo describe cómo la materia visible en el universo está hecha de unos pocos bloques básicos llamados partículas fundamentales, e interactúan a través de 3 de las 4 fuerzas fundamentales: electromagnética, fuerte y débil. Aceleradores como el LHC nos ayudan a poner a prueba las predicciones y los límites del Modelo Estándar. El Modelo Estándar es una teoría muy exitosa desde el punto de vista experimental, ya que muchas de sus predicciones han sido probadas experimentalmente a lo largo de los años. Siendo la última el descubrimiento del Higgs en el 2012, una partícula predicha por este modelo.
Las estrellas, los planetas y la vida solo pudieron surgir porque las partículas fundamentales obtuvieron su masa de un campo fundamental asociado al bosón de Higgs cuando comenzó el universo. La existencia de este campo que da masa se confirmó en 2012, cuando se descubrió en dos experimentos del LHC (ATLAS y CMS) la partícula bosón de Higgs. Pero el modelo sólo describe el 5% del universo visible, y aún quedan interrogantes. ¿veremos una unificación de fuerzas a las altas energías del LHC? ¿por qué la gravedad es tan débil? ¿por qué hay más materia que antimateria en el universo? ¿hay física más allá del Modelo Estándar esperando a ser descubierta a altas energías? El LHC es una de las principales herramientas que tenemos hoy en día para tratar de darle respuestas a estás interesantes preguntas.
D.L: ¿Cómo se están utilizando las tecnologías de vanguardia, como la inteligencia artificial y el aprendizaje automático, en los experimentos?
R.C.T: La inteligencia artificial la podemos encontrar en varios niveles en los experimentos: desde la selección de eventos en tiempo real dentro del detector hasta la fase final del análisis de los datos recolectados. En el LHC se dan aproximadamente 40 millones de colisiones de protones por segundo. Dado el abrumador volumen de datos generados, no resulta práctico registrar todas las colisiones.
En consecuencia, debemos determinar rápidamente qué sucesos merece la pena conservar y cuáles deben descartarse, reduciendo el número de sucesos registrados de 40 millones a un manejable millar, gracias al uso en muchos casos de algoritmos de aprendizaje automático. Estos eventos recolectados son luego analizados en varios contextos: medidas más precisas del Modelo Estándar, estudios del bosón de Higgs, búsqueda de nuevas partículas y fuerzas no predichas por el Modelo Estándar, entre otras. Por ejemplo, en el caso del estudio del bosón de Higgs, usamos el aprendizaje automático para diferenciar mejor los sucesos de Higgs de otros de aspecto similar que contribuyen al ruido de fondo. El aprendizaje automático también se está utilizando para estimar los fondos en áreas previamente difíciles, lo que nos permite extrapolar los datos de manera más eficaz e identificar con precisión dónde se producen los eventos del bosón de Higgs.
D.L: ¿Qué papel juega el CERN en el desarrollo de nuevas tecnologías y materiales, y como se están aplicando estas innovaciones en otros campos?
R.C.T: Detrás de los tres pilares tecnológicos del CERN (aceleradores de partículas, detectores de partículas y computación) se esconde un gran número de desarrollos tecnológicos que pueden ser útiles en campos como salud, aeroespacial, tecnologías cuánticas y medioambiente: desde la criogenia hasta los vacíos ultraelevados, desde la detección de trayectorias de partículas y la monitorización de la radiación hasta la superconductividad y muchas más. Un ejemplo en el área de salud es la utilización de tecnologías de aceleración y detección de partículas en áreas relacionadas con el diagnóstico médico, la terapia de protones para tratamiento de cáncer y la dosimetría. Mientras que el área de tecnologías cuánticas se puede beneficiar de la experiencia acumulada en la física de altas energías en temas como los vacíos ultraelevados, la precisión en medidas temporales, la necesidad de materiales superconductores, etcétera.
Te invito a darle un vistazo a la página web del CERN de transferencia tecnológica, si te interesa profundizar en este tema: https://knowledgetransfer.web.cern.ch/technologyportfolio
D.L: ¿Qué descubrimientos recientes han sido significativos en el CERN y por qué son importantes?
R.C.T: Nueve colaboraciones realizan experimentos utilizando el LHC y estudian los millones de partículas que se producen en las colisiones. En estos experimentos colaboran científicos de institutos de todo el mundo. Cada experimento es distinto, utilizando tecnologías de detección distintas. Pero además del LHC, hay otros experimentos de objetivo fijo, experimentos de antimateria, y física nuclear que utilizan también la cadena de inyectores del LHC. Todos los experimentos se apoyan en un programa teórico muy sólido, que lleva a cabo investigación de punta en física teórica de partículas. Lo cual hace que la física que se hace en el CERN es muy variada, cubriendo desde el Modelo Estándar a la supersimetría y desde los isótopos exóticos a los rayos cósmicos. Así que es difícil hacer una selección de todos los buenos resultados de dichas investigaciones. Me atrevo a mencionar tres ejemplos. Ya había mencionado antes que en el 2012 dos de las colaboraciones del LHC, los experimentos ATLAS y CMS, anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula compatible con el bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar. El bosón de Higgs es una partícula única en el modelo estándar de la física de partículas. Es la única partícula de su clase y desempeña un papel crucial en el universo. Sin el bosón de Higgs, nada tendría masa y el universo tal como lo conocemos no existiría. Durante los últimos 12 años se ha avanzado mucho en el estudio de esta nueva partícula y se han hecho medidas bastante precisas de muchas de sus propiedades, poniendo a prueba las predicciones teóricas. Entender el Higgs puede arrojar luz sobre la formación del universo. En los momentos posteriores al Big Bang, todo era caótico y sin masa. Sin embargo, durante un proceso conocido como ruptura de la simetría electrodébil, las fuerzas electromagnética y débil se separaron. En ese momento, surgió el bosón de Higgs, que empezó a interactuar con otras partículas, dándoles masa. Esta interacción permitió la formación de átomos, estrellas, galaxias y, finalmente, la Tierra. Al medir el bosón de Higgs con precisión, accedemos esencialmente a un portal al universo primitivo, lo que nos ayuda a comprender cómo evolucionaron estos procesos fundamentales a lo largo del tiempo. En el LHC no solo colisionamos protones, también se colisionan iones pesados, como iones de plomo. Estas colisiones nos permiten recrear las condiciones que existían unas pocas millonésimas de segundo poco después del Big Bang, cuando el universo se llenó de una sopa asombrosamente caliente y densa que se conoce como plasma de quarks y gluones. Recientemente, los experimentos ALICE, ATLAS y CMS en el LHC del CERN han hecho muchos avances en la comprensión y caracterización detallada del plasma quark-gluón lo cual nos acerca a comprender que pasó justo después la creación del Universo. La comprensión teórica de estas medidas es un reto, sin embargo, y es uno de los problemas más importantes de la cromodinámica cuántica en la actualidad. Para más información: https://home.cern/news/news/physics/charm-better-beautygoing-flow.
Un tercer ejemplo fue en el 2023 la observación de la influencia de la gravedad en la antimateria por el experimento ALPHA. ALPHA fue el primer experimento en observar que los átomos de antihidrógeno (un positrón orbitando alrededor de un antiprotón) caen a la Tierra del mismo modo que sus equivalentes de materia. Es un hito en el estudio de la antimateria, que aún nos desconcierta debido a su aparente ausencia en el Universo. Para más información: https://home.cern/news/press-release/physics/alphaexperiment-cern-observes-influence-gravity-antimatter
D.L: ¿Cómo se utiliza el LHC para estudiar las partículas subatómicas y las fuerzas fundamentales de la naturaleza?
R.C.T: El LHC es conocido por hacer chocar partículas, la mayor parte del año hace colisionar protones. Miles de millones de protones se aceleran a 99.999999% la velocidad de la luz y colisionan a muy altas energías cada 25 nanosegundos. Los haces de protones en el interior del LHC se hacen colisionar en cuatro puntos alrededor del anillo del acelerador, correspondientes a las posiciones de los detectores de partículas. La energía de estas colisiones se convierte en materia, produciendo nuevas partículas que son medidas por los detectores de partículas. Estos experimentos son llevados a cabo por colaboraciones de científicos de institutos de todo el mundo. Cada experimento es distinto y se caracteriza por sus detectores utilizando diferentes tecnologías para cada tipo de partícula.
D.L: ¿Cómo se están utilizando los experimentos del CERN para buscar evidencia de la materia y la energía oscura? ¿Estamos cerca de averiguarlo? Cuando comprendamos de qué están compuestas ¿Tendremos más preguntas o se daría por finalizada la investigación?
R.C.T: A diferencia de la materia normal, la materia oscura no interactúa con la fuerza electromagnética, con la luz, por lo cual no la podemos ver. Sin embargo, constituye alrededor del 27% del universo, mientras que la materia visible (lo que vemos en nuestro día a día) es tan solo 5% del universo. Pero, ¿qué es la materia oscura? es aún una pregunta abierta. Muchas teorías más allá del Modelo Estándar, como la supersimetría y las dimensiones extra, afirman que las partículas de materia oscura serían lo suficientemente ligeras como para ser producidas en el LHC. Si se crearan en el LHC, escaparían a través de los detectores sin ser detectadas. Sin embargo, los físicos podrían deducir su existencia a partir de la cantidad de energía y momento «perdidos» en los detectores tras una colisión. La búsqueda de materia oscura es uno de los objetivos del programa de física del LHC. Pero hasta el día de hoy no se ha encontrado en los datos recolectado hasta ahora evidencia de este tipo de materia oscura. Cada día recolectamos más datos y mejoramos nuestros detectores y nuestros algoritmos de análisis de datos, lo cual aumenta nuestra sensibilidad y probabilidad de proporcionar pistas más directas sobre la materia oscura en el futuro. Tal como ha sucedido con el descubrimiento del bosón de Higgs, si en algún momento se descubre una partícula candidata de materia oscura se abrirá una nueva puerta para entender aún más nuestro universo: ¿cuáles serían las propiedades de dicha partícula? ¿Sería la única partícula candidata de materia oscura o hay otras fuentes de materia oscura? Por otro lado, tenemos la energía oscura, que se estima constituye alrededor del 68% del universo, pero de ella sabemos menos de lo que sabemos de la materia oscura. La energía oscura podría explicar las observaciones de expansión acelerada del universo. Para estudiar la energía oscura se usan otro tipo de experimentos como sondeos espectroscópicos, sondeos por imágenes, estudios fondo cósmico de microondas y de las ondas gravitacionales.
D.L: ¿Qué proyectos y experimentos están en curso o se están planeando en el CERN para el futuro?
R.C.T: Como mencioné anteriormente, el programa de investigación en el CERN es muy amplio e incluye muchos experimentos. Yo me concentraré en responder la pregunta en el contexto del LHC. El LHC inició la toma de datos en el 2008. Y actualmente nos encontramos en la tercera fase de recolección de datos del LHC, que comenzó en 2022 y está previsto que concluya a mediados de 2026. En 2026, entraremos en un largo periodo de parada para preparar las actualizaciones de todos los experimentos del LHC. Tras esta parada, el LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC) comenzará a funcionar en 2030. En la actualidad, la instalación logra unas 60 colisiones protón-protón simultáneas cada 25 nanosegundos, pero hay planes en marcha para aumentar este número a 140 y, con el tiempo, a 200. Este aumento requiere detectores muy sofisticados capaces de separar con precisión las partículas resultantes de las interacciones individuales y también implica retos en cuanto al manejo y procesamiento de los datos. Los objetivos primordiales de este periodo de actualización es lograr mediciones precisas del bosón de Higgs y seguir la búsqueda de nueva física tal como la materia oscura ya que un mayor número de colisiones simultáneas ofrece más oportunidades de observar interacciones interesantes. Muestro objetivo es definir lo que queremos lograr, cómo alcanzar esos objetivos y cómo estas estrategias se alinean con diversas limitaciones, es decir, lo que es financiera y técnicamente factible. Actualmente estamos en el medio de un proceso denominado Estrategia Europea para Física de Partículas, que abarca toda Europa y es similar a la iniciativa Foro Estratégico Latinoamericano de Infraestructuras de Investigación en América Latina. A través de la Estrategia Europea, actualizamos periódicamente nuestras proyecciones sobre nuestra capacidad para medir fenómenos clave, y las utilizamos para orientar las decisiones sobre el futuro de nuestro campo, tomando en cuenta varios aspectos como en interés científico y la factibilidad financiera y técnica. Luego del HL-LHC, a nivel europeo se está discutiendo como un posible siguiente paso la construcción del Futuro Colisionador Circular (FCC, por sus siglas en inglés) que se ubicaría en el CERN también. El FCC consistiría en un anillo de unos 100 km de circunferencia, que se extendería bajo el lago Lemán y las montañas de los Alpes. Será, sin duda, una empresa gigantesca, y ahora estamos tratando de comprender qué conocimientos pueden obtenerse y cómo se basaría en el trabajo actual del LHC. También existen otras propuestas similares como el Colisionador Circular de Electrones y Positrones (CEPC, por sus siglas en inglés) desde China. Es importante entender que los aceleradores de partículas de esta magnitud requieren de grandes colaboraciones internacionales. Los experimentos son tan grandes y ambiciosos que ningún individuo o país puede gestionarlo todo de forma independiente. Por ejemplo, el experimento ATLAS consiste de 3000 personas, de 182 instituciones de 42 países distintos.
D.L: ¿Qué impacto tiene el CERN en la sociedad, más allá de la investigación científica?
R.C.T: La ciencia y la curiosidad científica al igual que las artes son dos aspectos que distinguen a los seres humanos. Y proyectos como el CERN nos hacen entender mejor el universo en el que vivimos y buscar respuestas a esas preguntas que muchos nos hacemos desde niños. También nos hacen empujar los límites tecnológicos y la correspondiente transferencia de tecnología de la que hablamos en la pregunta 3. Pero hay dos objetivos adicionales que tiene el CERN como institución. Uno de ellos es la formación científica de las nuevas generaciones, a través de iniciativas como sus escuelas, el programa de verano para estudiantes y otras becas que atraen a mucho jóvenes científicos e ingenieros al laboratorio. Creando un talento que en algunos casos siguen trabajando dentro de los sistemas académicos y en otros salen al mercado laboral en sectores industriales. Otro de sus objetivos es la diplomacia científica. El CERN une a las naciones a través de la ciencia y organiza y patrocina la cooperación internacional en investigación, fomentando los contactos entre científicos y el intercambio con otros laboratorios e institutos. El CERN está dirigido por 24 Estados miembros y 10 Estados miembros asociados, y su éxito se debe en gran parte a su rica colaboración internacional. Gracias a una red estructurada de relaciones con otras organizaciones internacionales, el CERN consolida la importancia de la educación científica, la tecnología y la innovación como motores de la economía y la sociedad.
D.L: Por último, si en el futuro podemos encontrar definitivamente una teoría unificada ¿Qué impacto tendría el descubrimiento? ¿Habrá más preguntas que contestar o sería la respuesta a todo?
R.C.T: Algunas teorías contemplan la posibilidad de unificar todas las fuerzas fundamentales (electromagnética, fuerte, débil y la gravitación) en una sola. Esta única fuerza habría imperado en los primeros instantes del universo, antes de que sus distintos componentes se separaran al enfriarse el universo. Aunque en la actualidad no podemos recrear condiciones con una energía lo suficientemente alta como para probar estas teorías directamente, podemos buscar las consecuencias de la «gran unificación» a energías más bajas, por ejemplo, en el Gran Colisionador de Hadrones. En las últimas décadas se han verificado experimentalmente la mayoría de las predicciones del Modelo Estándar, que es actualmente la mejor descripción que tenemos del mundo de la física de partículas. Pero el Modelo Estándar es incompleto, sabemos que no explica todo lo que conocemos de la naturaleza y hay muchas preguntas sin repuesta. Una de ellas es la unificación de las fuerzas fundamentales, pero no es la única: ¿por qué tienen masa los neutrinos? ¿qué es la materia oscura? ¿por qué hay tanta materia en el universo? ¿por qué se acelera la expansión del universo? Son otras de las preguntas abiertas. Así que creo, que incluso si acabáramos teniendo en nuestras manos una teoría de unificación final y perfecta de todo, seguiríamos realizando experimentos en distintas situaciones para ampliar sus límites. Porque los seres humanos nos caracterizamos por esa curiosidad y la creatividad.
Las palabras de Reina dejan en evidencia que la investigación científica, más allá del campo específico, siempre abre una puerta de entrada a la sociedad. Hay temas que parecen tan complejos que pareciera ser que no nos involucrara, pero muy lejos está de ser así, la ciencia, la investigación y el desarrollo tecnológico siempre abrazan a las sociedades.
Diego Larrosa De Zan
Divulgador
Científico (col. IASC/NASA)
