Hay más de una docena de aceleradores de partículas en todo el mundo, y elegiré el COLECTOR DE GRAN HADRON ubicado en Ginebra, Suiza, para responder a su pregunta.
El LHC es el acelerador de partículas más ambicioso y potente construido hasta la fecha. Miles de científicos de cientos de países están trabajando juntos y compitiendo entre sí para hacer nuevos descubrimientos. Seis sitios a lo largo de la circunferencia del LHC recopilan datos para diferentes experimentos. Algunos de estos experimentos se superponen, y los científicos tratarán de ser los primeros en descubrir nueva información importante.
El propósito del Gran Colisionador de Hadrones es aumentar nuestro conocimiento sobre el universo. Si bien los descubrimientos que los científicos harán podrían conducir a aplicaciones prácticas en el futuro, esa no es la razón por la que cientos de científicos e ingenieros construyeron el LHC. Es una máquina construida para ampliar nuestra comprensión. Considerando que el LHC cuesta miles de millones de dólares y requiere la cooperación de numerosos países, la ausencia de una aplicación práctica puede ser sorprendente.
- ¿Qué es un bosón?
- ¿Por qué la interferencia constructiva de los fotones de rayos X produce puntos brillantes cuando se dispersan en un cristal?
- Cómo saber cuántos años tiene un fotón
- ¿Cómo se vería un protón del tamaño de una pelota de playa?
- ¿Cuál es el significado de SU (3) en física?
En un intento por comprender nuestro universo, incluyendo cómo funciona y su estructura real, los científicos propusieron una teoría llamada modelo estándar. Esta teoría trata de definir y explicar las partículas fundamentales que hacen del universo lo que es. Combina elementos de la teoría de la relatividad de Einstein con la teoría cuántica. También se ocupa de tres de las cuatro fuerzas básicas del universo: fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y fuerza electromagnética. No aborda los efectos de la gravedad, la cuarta fuerza fundamental.
El Modelo Estándar hace varias predicciones sobre el universo, muchas de las cuales parecen ser ciertas de acuerdo con varios experimentos. Pero hay otros aspectos del modelo que siguen sin probarse. Una de ellas es una partícula teórica llamada partícula bosón de Higgs.
El bosón de Higgs puede responder preguntas sobre la masa. ¿Por qué la materia tiene masa? Los científicos han identificado partículas que no tienen masa, como los neutrinos. ¿Por qué un tipo de partícula tiene masa y otra carece de ella? Los científicos han propuesto muchas ideas para explicar la existencia de masa. El más simple de estos es el mecanismo de Higgs. Esta teoría dice que puede haber una partícula y una fuerza mediadora correspondiente que explicaría por qué algunas partículas tienen masa. La partícula teórica nunca se ha observado y puede que ni siquiera exista. Algunos científicos esperan que los eventos creados por el LHC también descubran evidencia de la existencia de la partícula del bosón de Higgs. Otros esperan que los eventos proporcionen pistas de nueva información que aún no hemos considerado.
Otra pregunta que los científicos tienen sobre la materia trata las condiciones tempranas en el universo. Durante los primeros momentos del universo, la materia y la energía se unieron. Justo después de que la materia y la energía se separaron, las partículas de materia y antimateria se aniquilaron entre sí. Si hubiera habido una cantidad igual de materia y antimateria, los dos tipos de partículas se habrían cancelado mutuamente. Pero afortunadamente para nosotros, había un poco más de materia que antimateria en el universo. Los científicos esperan poder observar la antimateria durante los eventos del LHC. Eso podría ayudarnos a entender por qué había una diferencia minúscula en la cantidad de materia versus antimateria cuando comenzó el universo.
La materia oscura también podría desempeñar un papel importante en la investigación del LHC. Nuestra comprensión actual del universo sugiere que la materia que podemos observar solo representa aproximadamente el 4 por ciento de toda la materia que debe existir. Cuando observamos el movimiento de las galaxias y otros cuerpos celestes, vemos que sus movimientos sugieren que hay mucha más materia en el universo de la que podemos detectar. Los científicos llamaron a este material indetectable materia oscura. En conjunto, la materia observable y la materia oscura podrían representar aproximadamente el 25 por ciento del universo. Los otros tres cuartos vendrían de una fuerza llamada energía oscura, una energía hipotética que contribuye a la expansión del universo. Los científicos esperan que sus experimentos proporcionen más evidencia de la existencia de materia oscura y energía oscura o proporcionen evidencia que pueda apoyar una teoría alternativa.
Sin embargo, esa es solo la punta del iceberg de la física de partículas. Hay cosas aún más exóticas y contra intuitivas que el LHC podría aparecer.
Al aplastar los protones lo suficientemente rápido y fuerte, el LHC hará que los protones se rompan en subpartículas atómicas más pequeñas. Un mini big bang. Estas pequeñas subpartículas son muy inestables y solo existen durante una fracción de segundo antes de descomponerse o recombinarse con otras subpartículas. Pero según la teoría del Big Bang, toda la materia en el universo primitivo consistía en estas pequeñas subpartículas. A medida que el universo se expandió y enfrió, estas partículas se combinaron para formar partículas más grandes como protones y neutrones.
Si las partículas teóricas, la antimateria y la energía oscura no son lo suficientemente inusuales, algunos científicos creen que el LHC podría descubrir evidencia de otras dimensiones. Estamos acostumbrados a vivir en un mundo de cuatro dimensiones: tres dimensiones espaciales y tiempo. Pero algunos físicos teorizan que puede haber otras dimensiones que no podemos percibir. Algunas teorías solo tienen sentido si hay varias dimensiones más en el universo. Por ejemplo, una versión de la teoría de cuerdas requiere la existencia de no menos de 11 dimensiones.
Los teóricos de cuerdas esperan que el LHC proporcione evidencia para apoyar su modelo propuesto del universo. La teoría de cuerdas establece que el bloque de construcción fundamental del universo no es una partícula, sino una cadena. Las cadenas pueden ser abiertas o cerradas. También pueden vibrar, de manera similar a la forma en que vibran las cuerdas de una guitarra cuando se las toca. Las diferentes vibraciones hacen que las cuerdas parezcan cosas diferentes. Una cuerda que vibra en una dirección aparecería como un electrón. Una cuerda diferente que vibra de otra manera sería un neutrino.
Algunos científicos han criticado la teoría de cuerdas, diciendo que no hay evidencia para apoyar la teoría en sí. La teoría de cuerdas incorpora la gravedad en el modelo estándar, algo que los científicos no pueden hacer sin una teoría adicional. Concilia la teoría de la relatividad general de Einstein con la teoría del campo cuántico. Pero todavía no hay pruebas de que existan estas cadenas. Son demasiado pequeños para observar y actualmente no hay forma de evaluarlos. Eso ha llevado a algunos científicos a descartar la teoría de cuerdas como más una filosofía que una ciencia.
Los teóricos de cuerdas esperan que el LHC cambie las mentes de los críticos. Están buscando signos de súper simetría. Según el modelo estándar, cada partícula tiene una antipartícula. Por ejemplo, la antipartícula para un electrón (una partícula con carga negativa) es un positrón. La supersimetría propone que las partículas también tienen supercompañeros, que a su vez tienen sus propios homólogos. Eso significa que cada partícula tiene tres contrapartículas.
Aunque no hemos visto ninguna indicación de estos supercompañeros en la naturaleza, los teóricos esperan que el LHC demuestre que realmente existen. Potencialmente, las superpartículas podrían explicar la materia oscura o ayudar a ajustar la gravedad en el modelo estándar general.
