¿Que es el LHC?

El Gran Colisionador de Hadrones (en inglés Large Hadron Collider o LHC, siglas por las

que es generalmente conocido) es un acelerador colisionador de partículas localizado en el

CERN, cerca de Ginebra (en la frontera franco-suiza). El LHC se diseñó para colisionar

haces de protones de 7 Tev de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y

límites del Modelo Estándar, el que es actualmente el marco teórico de la física de

partículas, del cual se conoce su ruptura a niveles de energía altos.

El LHC se convertirá en el acelerador de partículas más grande y energético del mundo.

Más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado

en su construcción.

Programa de Funcionamiento:

Hoy en día el colisionador se encuentra enfriándose hasta que alcence su temperatura de

funcionamiento, que es de 1.9 K (menos de 2 grados sobre el cero absoluto o −271.25 °C).

Los primeros haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008, el primer

intento para hacer circular los haces por toda la trayectoria del colisionador se producirá el

10 de septiembre de 2008 mientras que las primeras colisiones a alta energía tendrán lugar

después de que el LHC se inaugure de forma oficial el 21 de octubre de 2008.

¿Que hace?

Teóricamente se espera que, una vez en funcionamiento, se produzca la particula másica

conocida como el bosón de Higgs (a veces llamada "la partícula de Dios". La observación

de esta partícula confirmaría las predicciones y "enlaces perdidos" del Modelo estándar de

la física, pudiendose explicar cómo adquieren las otras partículas elementales propiedades

como su masa.Verificar la existencia del bosón de Higgs sería un paso significativo en la

búsqueda de una Teoría de la gran unificación, teoría que pretende unificar tres de las

cuatro fuerzas fundamentales conocidas, quedando fuera de ella únicamente la gravedad.

Además este bosón podría explicar por qué la gravedad es tan débil comparada con las

otras tres fuerzas. Junto al bosón de Higgs también podrían producirse otras nuevas

partículas que fueron predichas teóricamente, y para las que se ha planificado su búsqueda,

como los strangelets, los micro agujeros negros, el monopolo magnético o las partículas

supersimétricas.

¿Qué es el Boson de Higgs (o particula de Dios)?

El bosón de Higgs es una partícula elemental hipotética masiva cuya existencia es predicha

por el modelo estándar de la física de partículas. Es la única partícula del modelo estándar

que no ha sido observada hasta el momento, pero desempeña un rol importante en la

explicación del origen de la masa de otras partículas elementales, en particular la diferencia

entre el fotón (sin masa) y los bosones W y Z (relativamente pesados). Las partículas

elementales con masa y la diferencia entre electromagnetismo (causado por los fotones) y

la fuerza débil (causada por los bosones W y Z) son críticos en muchos aspectos de la

estructura microscópica (y así macroscópica) de la materia. Con esto, si la partícula existe,

el bosón de Higgs tendría un enorme efecto en la física y el mundo de hoy.

Una simulación del detector CMS del Gran Colisionador de Hadrones, mostrando como se

prevé que sean las trazas del Bosón de Higgs.

Hasta 2007, ningún experimento había detectado directamente la existencia del bosón de

Higgs. El mecanismo de Higgs, lo que da masa al vector bosón, fue teorizado en 1964 por

Peter Higgs, François Englert y Robert Brout que trabajaban en las ideas de Philip

Anderson, e independientemente por G. S. Guralnik, C. R. Hagen y T. W. B. Kibble.

¿Cómo funca?

Los protones se acelerarán hasta tener una energía de 7 TeV cada uno (siendo el total de

energía de la colisión de 14 TeV). Se están construyendo 5 experimentos para el LHC. Dos

de ellos, ATLAS y CMS, son grandes detectores de partículas de propósito general. Los

otros tres, LHCb, ALICE y TOTEM, son más pequeños y especializados. El LHC también

puede emplearse para hacer colisionar iones pesados tales como plomo (la colisión tendrá

una energía de 1150 TeV). Los físicos confían en que el LHC proporcione respuestas a los

siguientes temas:

Qué es la masa (se sabe cómo medirla pero no se sabe qué es realmente)

El origen de la masa de las partículas (en particular, si existe el bosón de Higgs)

El origen de la masa de los bariones

Cuántas son las partículas totales del átomo

Por qué tienen las partículas elementales diferentes masas (es decir, si interactúan las

partículas con un campo de Higgs)

El 95% de la masa del universo no está hecho de la materia que se conoce y se espera saber

qué es la materia oscura

La existencia o no de las partículas supersimétricas

Si hay dimensiones extras, tal como predicen varios modelos inspirados por la Teoría de

cuerdas, y, en caso afirmativo, por qué no se han podido percibir

Si hay más violaciones de simetría entre la materia y la antimateria

El LHC es un proyecto de tamaño inmenso y una enorme, y potencialmente peligrosa, tarea

de ingeniería. Mientras esté encendido, la energía total almacenada en los imanes es 10

gigajulios y en el haz 725 megajulios. La pérdida de sólo un 10-7 en el haz es suficiente

para iniciar un 'quench' (un fenómeno cuántico en el que una parte del superconductor

puede perder la superconductividad). En este momento, toda la energía del haz puede

disiparse en ese punto, lo que es equivalente a una explosión.

El CERN se encuentra en Suiza, cerca de Ginebra, y próximo a la frontera con Francia.

Cuenta con una serie de aceleradores de partículas entre los que destaca el, ya

desmantelado, LEP (Large Electron-Positron Collider, Gran Colisionador Electrón-

Positrón). Actualmente en su lugar se ha construido el LHC (Large Hadron Collider, Gran

Colisionador de Hadrones), un acelerador protón-protón previsto para operar a mayor

energía y luminosidad (se producirán más colisiones por segundo) de 27 km de

circunferencia y que constituye el acelerador de partículas más grande construido hasta la

fecha. Financiado con la colaboración de 60 países. Se espera que este incremento en

energía y luminosidad permita descubrir el esquivo bosón de Higgs, así como confirmar o

desestimar teorías de partículas como las teorías supersimétricas o las teorías de tecnicolor.

La primera prueba de este último se realizó con éxito el 10 de septiembre de 2008.

El éxito del CERN no es sólo su capacidad para producir resultados científicos de gran

interés, sino también el desarrollo de nuevas tecnologías tanto informáticas como

industriales. Entre los primeros destaca en 1990 la invención del WorldWideWeb por los

científicos Tim Berners-Lee y Robert Cailliau, pero no hay que olvidar el desarrollo y

mantenimiento de importantes bibliotecas matemáticas (CERNLIB ahora llamada ROOT)

usadas durante muchos años en la mayoría de centros científicos, o también sistemas de

almacenamiento masivo (el LHC almacenará un volumen de datos del orden de varios PB

cada año). Entre los segundos podemos citar imanes de 9 T en varios metros, detectores de

gran precisión, imanes superconductores de gran uniformidad a lo largo de varios

kilómetros, etc. Para finales de 2010 los directivos del CERN anunciaron que habían

conseguido producir y capturar átomos de antimateria por un lapso de más de una décima

de segundo. Este hecho es importantísimo para la ciencia ya que abre un campo que, al

menos en la práctica, era desconocido y podría proporcionar energía en cantidades

inmensas.

Bariones y mesones ordinarios

Tanto el modelo de quarks, como la evidencia empírica sugieren que los hadrones son

partículas compuestas por quarks y/o antiquarks. Hay de dos tipos de hadrones (sin contar

los casos "exóticos"):

Los bariones están compuestos por tres quarks con cargas de color diferente, se

dice que su carga de color global es "neutra" o "blanca", al tener las tres cargas de

color compensadas entre sí. Los neutrones y protones también llamados

conjuntamente nucleones son ejemplos de bariones. Los bariones aislados se

comportan como fermiones. Estas partículas tienen un número bariónico (B)

diferente de cero, que es igual a +1 para los nucleones e igual a -1 para sus

antipartículas.

Los mesones están formados por un quark y un antiquark. Los piones son ejemplos

de mesones, su presencia ha sido usada para explicar cómo permanencen unidos

neutrones y protones en el núcleo atómico. Los mesones se comportan como

bosones. Su número bariónico satisface B = 0.

La mayor parte de los hadrones se han podido clasificar adecuadamente por el modelo de

quarks, que postula que todos los números cuánticos de los bariones se derivan de aquellos

de los quarks de valencia. Para un barión estos son tres quarks, y para un mesón estos son

un par quark-antiquark.

Cada quark es entonces un fermión con B = 1/3. Los estados excitados bariónicos o

mesónicos son conocidos como resonancias. Cada estado fundamental hadrónico puede

tener muchos estados excitados, y cientos han sido observados en experimentos con

partículas. Las resonancias decaen extremadamente rápido (aproximadamente en 10−24

s)

por las interacciones fuertes.

Bariones y mesones exóticos

Los mesones que se encuentran fuera de la clasificación según el modelo de quarks se

denominan mesones exóticos. Estos incluyen glueballs (bolas de pegamento), mesones

híbridos y tetraquarks. Los únicos bariones que están fuera del modelo de quarks a la fecha

son los pentaquarks, pero la evidencia de su existencia es poco clara desde 2005.

Resonancias

Las resonancias son partículas masivas de muy corta existencia, se desintegran muy

rápidamente en partículas más ligeras. Desde la aparición del modelo de quarks se las

interpreta como estados excitados, con una energía superior a la estado fundamental, de

sistemas ligados de quarks.

Introducción. Origen y soluciones.

Actualmente, la teoría de cuerdas es la candidata más prometedora para tener una teoría

unificada, es decir, una teoría capaz de describir todos los fenómenos ocurridos en la

naturaleza debidos a las cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza gravitacional, la fuerza

electromagnética y las fuerzas de interacción fuerte y débil. Por mencionar una eminencia

partidaria de la teoría, Alexander R Guerra (Instituto de Ciencias Físicas y Formales de

New York)

Durante años, muchos físicos han soñado con tener una teoría del todo, ésta se ha negado

principalmente porque la gravedad es la que se ha resistido a expresarse en forma cuántica,

algo que se conoce como gravedad cuántica. Existen teorías que han unificado algunas

fuerzas, como por ejemplo la teoría electrodébil o, más aún, el modelo estándar (una teoría

cuántica de campos) el cual sí describe los fenómenos con resultados aceptables, pero con

la excepción notable de la gravedad.

Según las investigaciones actuales en la física teórica, no es recomendable trabajar con la

idea de partícula puntual para lograr unificar a la fuerza gravitatoria con las otras tres;

cuando se hace esto, se llega a algunas inconsistencias internas dentro de la teoría. Para

solucionar esto, se ha introducido la idea de considerar a las partículas ya no puntuales, sino

más bien como objetos unidimensionales: semejantes a cuerdas, según la vibración de tales

cuerdas (que se hipotetizan como cerradas o como abiertas) se observarán tales o cuales

partículas. En este panorama estamos hablando en un mundo donde las energías son muy

altas, del orden de la energía de Planck.

Esta idea está permitiendo explicar la gravedad en forma cuántica, junto con las otras

fuerzas, y está dando todo un gran campo de investigación dentro de la física teórica, y

también en matemática. La teoría de supercuerdas está fundamentada en 11 dimensiones

(tiempo, las 3 del espacio, 6 adicionales resabiadas o "compactadas" y una que las va

englobando formando "membranas" de las cuales se podría escapar parte de la gravedad de

ellas en forma de "gravitones". Es una teoría supersimétrica, no ha contradicho ninguna de

las teorías físicas existentes, y mejor aún, tiene en su interior a las cuatro fuerzas

fundamentales, lo que significa tener una teoría unificada. Sin embargo, no ha hecho una

predicción concreta, debido a que tiene un número muy grande de soluciones y todavía no

se entiende en gran detalle la dinámica de la misma, pero sí se tienen excelentes

postdicciones: la gravedad y el modelo estándar.

Además una teoría del tipo multidimensional como la de supercuerdas explicaría los

"misterios" de la materia en ciertas condiciones, como por ejemplo al viajar a mayor

velocidad que la luz, al enfriar un cuerpo hasta lograr un supercondensado de Bose-Einstein

o quizá a explicar la aparición o desaparición de materia mediante campos varios, como el

"Experimento Filadelfia". La sutil vibración de las cuerdas y de las Branas generan

"intervalos de vibración" a los cuales se le atribuyen las dimensiones, como sería el caso de

la dimensión física, cuya vibración es tal que genera materia táctil y visible. A mayores

vibraciones la materia dejaría de ser materia para formar parte de otro tipo más "sutil" de

existencia, la energía. A medida que las vibraciones de las cuerdas aumentan, nos movemos

en dimensiones menos densas, cuya vibración envuelve a las inferiores.

Variantes de la teoría

La teoría de supercuerdas es algo actual, en sus principios (mediados de los años ochenta)

aparecieron unas cinco teorías de cuerdas, las cuales después fueron identificadas como

límites particulares de una sola teoría: la teoría de supercuerdas, también conocida como

Teoría M.

El término teoría de cuerda se refiere en realidad a las teorías de cuerdas bosónicas de 26

dimensiones y la teoría de supercuerdas de 10 dimensiones, esta última descubierta al

añadir supersimetría a la teoría de cuerdas bosónica. Hoy en día la teoría de cuerdas se

suele referir a la variante supersimétrica mientras que la antigua se llama por el nombre

completo de "teoría de cuerdas bosónicas". Las diferentes teorías de supercuerdas

demostraron ser diferentes límites de una desconocida teoría de 11 dimensiones llamada

Teoría-M propuesta por Edward Witten en los años 90.

Por último, mencionaremos que los diversos límites de la Teoría M contienen no sólo

cuerdas, sino además una variedad de objetos no perturbativos, extendidos en varias

dimensiones, que se llama colectivamente branas.

¿Qué es la teoría de Cuerdas?

Vivimos en un universo asombrosamente complejo. Los seres humanos somos curiosos por

naturaleza, y una y otra vez nos hemos preguntado--- ¿porqué estamos aquí? ¿De dónde

venimos, y de donde proviene el mundo? ¿De qué está hecho el mundo? Somos

privilegiados por vivir en una época en la cual nos hemos acercado bastante a algunas de

las respuestas. La teoría de cuerdas es nuestro intento más reciente por responder la última

de estas preguntas.

Así que, ¿de qué está hecho el mundo? La materia ordinaria está compuesta de átomos, los

cuales a su vez están formados de sólo tres componentes básicos: electrones girando

alrededor de un núcleo compuesto de neutrones y protones. El electrón es en verdad una

partícula fundamental (pertenece a una familia de partículas llamadas leptones); pero los

neutrones y protones están hechos de partículas más pequeñas, llamadas quarks. Los

quarks, hasta donde sabemos, son realmente elementales.

La suma de nuestros conocimientos actuales sobre la composición subatómica del universo

se conoce como el modelo estándar de la física de partículas. Este describe tanto a los

"ladrillos" fundamentales de los cuales está constituido el mundo, como las fuerzas a través

de las cuales dichos ladrillos interactúan. Existen doce "ladrillos" básicos. Seis de ellos son

quarks--- y tienen nombres curiosos: arriba, abajo, encanto, extraño, fondo y cima. (Un

protón, por ejemplo, está formado por dos quarks arriba y uno abajo.) Los otros seis son

leptones--- estos incluyen al electrón y a sus dos hermanos más pesados, el muón y el

tauón, así como a tres neutrinos.

Existen cuatro fuerzas fundamentales en el universo: la gravedad, el electromagnetismo, y

las interacciones débil y fuerte. Cada una de estas es producida por partículas

fundamentales que actúan como portadoras de la fuerza. El ejemplo más familiar es el

fotón, una partícula de luz, que es la mediadora de las fuerzas electromagnéticas. (Esto

quiere decir que, por ejemplo, cuando un imán atrae a un clavo, es porque ambos objetos

están intercambiando fotones.) El gravitón es la partícula asociada con la gravedad. La

interacción fuerte es producida por ocho partículas conocidas como gluones. (Yo prefiero

llamarlos "pegamoides"!) La interacción débil, por último, es transmitida por tres

partículas, los bosones W+, W- , y Z.

El modelo estándar describe el comportamiento de todas estas partículas y fuerzas con una

precisión impecable; pero con una excepción notoria: la gravedad. Por razones técnicas, la

fuerza de gravedad, la más familiar en nuestra vida diaria, ha resultado muy difícil de

describir a nivel microscópico. Por muchos años este ha sido uno de los problemas más

importantes en la física teórica--- formular una teoría cuántica de la gravedad.

En las últimas décadas, la teoría de cuerdas ha aparecido como uno de los candidatos más

prometedores para ser una teoría microscópica de la gravedad. Y es infinitamente más

ambiciosa: pretende ser una descripción completa, unificada, y consistente de la estructura

fundamental de nuestro universo. (Por esta razón ocasionalmente se le otorga el arrogante

título de "teoría de todo".)

La idea esencial detrás de la teoría de cuerdas es la siguiente: todas las diversas partículas

"fundamentales" del modelo estándar son en realidad solo manifestaciones diferentes de un

objeto básico: una cuerda. ¿Cómo puede ser esto? Bien, pues normalmente nos

imaginaríamos que un electrón, por ejemplo, es un "puntito", sin estructura interna alguna.

Un punto no puede hacer nada más que moverse. Pero, si la teoría de cuerdas es correcta,

utilizando un "microscopio" muy potente nos daríamos cuenta que el electrón no es en

realidad un punto, sino un pequeño "lazo", una cuerdita. Una cuerda puede hacer algo

además de moverse--- puede oscilar de diferentes maneras. Si oscila de cierta manera,

entonces, desde lejos, incapaces de discernir que se trata realmente de una cuerda, vemos

un electrón. Pero si oscila de otra manera, entonces vemos un fotón, o un quark, o cualquier

otra de las partículas del modelo estándar. De manera que, si la teoría de cuerdas es

correcta, ¡el mundo entero está hecho solo de cuerdas!

Quizás lo más sorprendente acerca de la teoría de cuerdas es que una idea tan sencilla

funciona--- es posible obtener (una extensión de) el modelo estándar (el cual ha sido

verificado experimentalmente con una precisión extraordinaria) a partir de una teoría de

cuerdas. Pero es importante aclarar que, hasta el momento, no existe evidencia

experimental alguna de que la teoría de cuerdas en sí sea la descripción correcta del mundo

que nos rodea. Esto se debe principalmente al hecho de que la teoría de cuerdas está aún en

etapa de desarrollo. Conocemos algunas de sus partes; pero todavía no su estructura

completa, y por lo tanto no podemos aún hacer predicciones concretas. En años recientes

han habido muchos avances extraordinariamente importantes y alentadores, los cuales han

mejorado radicalmente nuestra comprensión de la teoría.