Máquinas gigantescas, partículas diminutas

¡IMAGÍNESE cruzar la frontera franco-suiza miles de veces en unos pocos segundos! “Imposible”, puede que usted diga. Sin embargo, un nuevo grupo de “fronterizos” están haciendo precisamente eso por miles de millones. Son partículas diminutas que viajan en el interior de un gigantesco toro o anillo de metal subterráneo de un laboratorio europeo cercano al aeropuerto suizo de Ginebra. En él los físicos se valen de enormes máquinas conocidas como aceleradores de partículas para profundizar en el campo de la investigación que ha intrigado al hombre desde hace mucho tiempo, a saber, los secretos de la materia y las leyes que regulan el universo.

El mundo infinitesimal

Por miles de años el hombre ha soñado con descubrir los componentes básicos de la materia. A principios del siglo veinte los científicos descubrieron que el átomo, que en un tiempo se creía que era la partícula más pequeña de materia, y por lo tanto indivisible, está compuesto de electrones que giran alrededor de un núcleo. Posteriormente se descubrió que puede seguir subdividiéndose, y una nueva teoría dice que toda materia del universo consta de solo tres componentes básicos: electrones y dos tipos de cuarks en un vacío.

Cuando los arqueólogos descubren un muro antiguo, no solo analizan los ladrillos, sino también el cemento que se usó para unirlos. De modo similar, los físicos modernos analizan las fuerzas que actúan entre las partículas. Los investigadores explican que dos partículas pueden entrelazarse por medio de intercambiar una tercera, de modo parecido a como dos jugadores se intercambian una pelota. Y tal como cada deporte (fútbol, baloncesto, béisbol) usa un tipo particular de pelota, cada fuerza también tiene su propia partícula de intercambio (o conjunto de partículas de intercambio). Para estudiar estos dos tipos de partículas (los ladrillos y el cemento, los jugadores y la pelota) es necesario utilizar aceleradores.

Sin los aceleradores, los físicos modernos estarían tan desvalidos como los botánicos sin microscopios o los astrónomos sin telescopios. En el CERN (un laboratorio europeo donde se estudia la física de partículas) hay varios aceleradores interconectados que cruzan la frontera franco-suiza. Quizás entendamos mejor lo que sucede dentro de esas máquinas si nos hacemos mil billones de veces más pequeños. Ahora podemos seguir a nuestro singular guía.

Viaje por el interior de un acelerador

¡Hola! Soy solo uno de los miles de millones de protones que le acompañará en su viaje por el SPS (Sincrotrón Superprotón), el acelerador más grande de este laboratorio por el momento. Por favor, trate de mantenerse al paso pues vamos a viajar más de un millón de kilómetros (620.000 millas) ¡en menos de cinco segundos!

Antes de entrar apropiadamente en el SPS, tenemos que someternos a una aceleración preliminar en máquinas más pequeñas, para alcanzar más del 99% de la velocidad de la luz en el vacío (300.000 kilómetros [186.000 millas] por segundo), una velocidad que no podemos superar. El SPS elevará nuestra velocidad solo un 0,4%. Por otra parte, nuestra masa aumentará de manera importante, lo cual resultará en un salto energético de 10 GeV a 400 GeVa, y este es el resultado que persiguen los físicos. De modo que el SPS no es un acelerador en el sentido literal del término, sino que es más bien como una honda a la que se hace girar a una velocidad constante y cuyas piedras se hacen más pesadas a medida que van girando.

Hemos entrado ahora en el conducto de rayos del SPS. El anillo completo, de casi siete kilómetros de circunferencia, está ubicado en un túnel subterráneo de varios metros de ancho por el que los técnicos pueden trasladarse en bicicleta cuando el acelerador no está funcionando.

Tan pronto entramos en el anillo, somos impulsados por 744 imanes. Estos poderosos electroimanes nos mantienen en una trayectoria casi circular. De otro modo, saldríamos volando directamente hacia las gruesas paredes que absorben la peligrosa radiación que emitimos. Ya que tendemos a dispersarnos, tenemos que ser concentrados en un rayo denso y estrecho por otro sistema de 216 imanes. Puede compararse al reflector de un faro que concentra la luz en un rayo estrecho y de largo alcance.

Para hacer posible nuestro viaje, se ha formado un elevado vacío en el tubo a fin de eliminar la mayoría de las partículas que de otro modo hubieran obstaculizado nuestro paso. Cada vez que damos una vuelta recibimos un suministro energético adicional cuando pasamos por unas cavidades de radiofrecuencia de 20 metros (66 pies) de largo, en una sección recta y larga. La onda electromagnética que se genera en esa sección nos imparte algo de su energía, tal como una ola del océano impulsa al que practica el “surf” sobre ella.

Ahora nos tomará solo poco más de medio segundo abandonar el acelerador en grupos de diez billones de partículas. Desviados de nuestra trayectoria, vamos a chocar violentamente contra un blanco que puede ser una plancha de metal, un gas o un líquido, según el tipo de experimento. Parte de la energía que se libera en la colisión entre los protones y las partículas del blanco se convertirá, generalmente por un breve instante, en materia. Esto es casi lo opuesto a lo que sucede en un reactor nuclear, donde la materia se convierte en energía. Potentes computadoras analizarán entonces las partículas que se han producido como resultado de la colisión.

Ha llegado el tiempo para despedirme. Pero si tiene unos minutos más, hay otro experimento aun más emocionante reservado para usted.

Máquinas de colisión de rayos

Los protones que acaban de salir han chocado contra un blanco estático. Sin embargo, mucha de su energía se ha perdido, absorbida por las partículas del blanco que retroceden al recibir el impacto. Esta es la razón por la cual protones de 400 GeV que chocan contra otros protones de blancos estáticos liberan solo 28 GeV para producir nuevas partículas.

Los investigadores estudiaron el problema. A fin de incrementar la energía útil, idearon la colisión de rayos. En el SPS, un rayo de antiprotones (partículas de la misma masa que los protones pero de carga eléctrica opuesta) se hace chocar contra otro rayo de protones que gira en dirección opuesta. Cuando un protón choca contra un antiprotón de 270 GeV, prácticamente los 540 GeV de energía llegan a ser aprovechables para producir partículas mucho más pesadas.

Una vez resueltos los problemas relacionados con la producción, acumulación y aceleración de antiprotones, los físicos del CERN pudieron suministrar en 1983 evidencia de la existencia de partículas muy inestables llamadas bosones W y Z. Tal como la mayoría de las partículas generadas en estos aceleradores, los bosones no tienen una vida larga (menos de una trillonésima de trillonésima de segundo) antes de disolverse en energía o transformarse en otras partículas. Los bosones Z, cien veces más pesados que los protones, son las partículas de mayor masa descubiertas hasta la fecha.

Máquinas aún mayores

Por todo el mundo se está intentando conseguir partículas de mayor masa, especialmente para utilizarlas como intercambio de fuerza (las pelotas que mencionamos a modo de ilustración al principio del artículo). Para ello se requieren máquinas mejores y más potentes. De modo que en 1983 se empezó a construir en el CERN, cerca de Ginebra, un nuevo anillo. Lo llaman el LEP (Gran Electrón-Positrón [de colisión]), una máquina de 27 kilómetros (casi 17 millas) de circunferencia, diseñada para acelerar electrones y positrones (las antipartículas de los electrones). Estas partículas “proyectiles” serán para los físicos como un nuevo instrumento, un bisturí más afilado, por decirlo así, para la disección de la materia.

‘Pero ¿para qué sirven todas estas máquinas?’, puede que usted pregunte. Es verdad que aparte de unos cuantos aceleradores pequeños que están siendo usados en hospitales para producir partículas para la destrucción de células cancerosas o como trazadores radiactivos, los usos técnicos de esas máquinas parecen limitados. Sin embargo, los científicos desean encontrar una respuesta todavía mejor a la pregunta: ¿Qué es la materia? De modo que no cabe duda de que van a seguir penetrando en el mundo de lo infinitesimal, paradójicamente por medio de aceleradores gigantes aún mayores.

[Nota a pie de página]

[Fotografías/Diagrama en la página 24]

(Para ver el texto en su formato original, consulte la publicación)

LEP

SPS

site Prévessin

FRANCE

SUISSE

[Reconocimiento]

Fotos CERN, Ginebra

[Recuadro en la página 25]

¿Qué son?

Electrones: Partículas de carga eléctrica negativa equivalente a la del protón y de una masa aproximadamente 2.000 veces menor. El electrón gira alrededor del núcleo del átomo, cuyo número de protones es igual al de electrones.

Protones: Partículas de carga eléctrica positiva equivalente a la del electrón. Componente del núcleo atómico. El núcleo del átomo de hidrógeno tiene un solo protón.

Neutrones: Partículas de casi la misma masa que el protón, pero sin carga eléctrica. Forman, junto con los protones, el núcleo del átomo, con excepción del átomo de hidrógeno.

Cuarks: Partículas que se cree son los componentes básicos de los protones y los neutrones. Los cuarks no existen por separado sino en combinación con otros cuarks. Cada uno tiene una carga eléctrica, ya sea una tercera parte o dos terceras partes de la carga eléctrica del electrón.

Bosones: Partículas que transmiten fuerzas entre otras partículas subatómicas. El bosón que sale de una partícula es absorbido por otra.

La energía se transforma en materia

La velocidad y la energía: Una pelota de tenis que cae sobre el pie no hace ningún daño. Pero si viene a gran velocidad y le da a uno en la nariz, puede hacerle mucho daño. ¿Por qué? Porque cuanto mayor es la velocidad de la bola, mayor es la energía que tiene consigo, y esa energía se libera en el impacto. Este es el propósito principal de un acelerador: impartir gran cantidad de energía a las partículas por medio de acelerarlas a grandes velocidades.

La energía concentrada se convierte en materia: La transformación de energía en materia no es una cuestión de cantidad sino de concentración. Suficientes partículas de alta energía y gran velocidad concentradas en un pequeño volumen pueden producir nuevas partículas (o materia) al chocar contra algún objeto o entre ellas mismas.

Materia, sí, pero en cantidades diminutas: Estos aceleradores consumen mucha energía y sin embargo producen poca materia. Según una publicación oficial del CERN, “no se ha producido más de un miligramo [0,000035 onza] de materia en los últimos 25 años de experimentos”.

[Recuadro en la página 26]

Receta para hacer una vaca

“No es complicado hacer una vaca. Solo se necesita una gran cantidad de los componentes básicos: cuarks u y d y electrones. Ante todo, prepare los protones. Va a necesitar dos cuarks u y uno d; luego haga algunos neutrones, usando un cuark u y dos d. Ahora podrá componer los átomos. Para una vaca, va a necesitar principalmente átomos de carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno [...] La receta para hacer un átomo de hidrógeno es muy fácil: un protón con un electrón que gire a su alrededor. El carbono ya es más complicado [...]

”Ahora deben reunirse los átomos para formar moléculas. El agua es fácil de hacer. Mezcle un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Pero para otras moléculas, se necesitan cientos o incluso miles de átomos. Por último, utilice estos átomos para formar unas cuantas decenas de miles de millones de células vivas y reúnalas cuidadosamente para hacer la vaca.

”Esa es la receta que suministra el CERN. Es sumamente precisa si toma en consideración el factor tiempo y el misterioso diseño original que resultó en la formación de una vaca.” (L’Express, semanario francés.)

Pero ¿quién pudo idear este “misterioso diseño original”? Solo un Ser de inteligencia suprema, el que la Biblia identifica como el Creador, Jehová Dios. (Salmo 104:24.)