La historia que vamos a contar empieza en 1961. En ese año, la teoría electromagnética, que describe la interacción entre protones y electrones, fue “unificada” con aquellas interacciones responsables de la radioactividad. Eso significa que ambos fenómenos físicos se pudieron describir con un solo modelo.

No obstante, esta unificación llevaba a un problema. El modelo matemático prohibía que las partículas tuvieran masa. Y eso es imposible, se sabía bien que las partículas elementales, que conforman todo lo que vemos, tienen masa. ¿Cómo resolver este dilema?

El problema fue resuelto incorporando al modelo lo que se conoce como el “Mecanismo de Brout-Englert-Higgs.” Este mecanismo hace que todas las partículas interactúen con el vacío, dando los mismos efectos de tener masa. Una cosa muy rara, pero eficiente, y con una clara predicción: debe existir una partícula nueva. Fue entonces que nació el Modelo Estándar de Partículas Elementales.

La nueva partícula recibió el nombre de “bosón de Higgs.” Para ser capaces de demostrar la validez del Modelo Estándar, se volvió imperativo determinar la existencia del Higgs, mediante un experimento que fuera capaz de producirlo, y luego detectarlo. La comunidad científica puso manos a la obra...

Más de cuarenta años después, se terminó de construir el mayor acelerador de partículas en la historia de la humanidad, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Este acelerador se encuentra en un laboratorio llamado CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), y está ubicado en la frontera entre Suiza y Francia.

El LHC consta de un túnel circular, de 27 kilómetros de circunferencia, por donde pasan dos haces de protones en sentido contrario. Estos haces colisionan en cuatro puntos distintos en el túnel, a una energía de 13 TeV. En cada punto de la colisión, se encuentra un experimento: ATLAS, CMS, LHCb y ALICE.

El objetivo principal de los primeros dos, ATLAS y CMS, fue justamente descubrir si el Higgs realmente existía o no. La producción del Higgs estaba bien entendida, cuando dos protones colisionan, su destrucción va de la mano con la producción de nuevas partículas. Una de ellas podría ser el Higgs, y la probabilidad de que esto sea así aumentaría con la energía.

No obstante, no bastaba con producir un Higgs. Había que detectarlo. Y considerando que se esperaba que el Higgs fuera inestable, la única forma de lograrlo sería detectando partículas secundarias, producto de su desintegración. Para complicar más el asunto, existirían otros procesos, que no tendrían nada que ver con el Higgs, que podrían producir las mismas partículas secundarias. Un dolor de cabeza, sin lugar a dudas.

La cosa es un poco más compleja de lo que he contado, pero resumiendo, el 4 de julio del 2012, en una charla en conjunto, los representantes de ATLAS y CMS confirmaron haber observado la producción y posterior desintegración de bosones de Higgs. Esto, a la vez, confirmó la validez del Modelo Estándar. Evidentemente, hubo un premio Nobel relacionado a este descubrimiento poco tiempo después.

Las mediciones de ATLAS y CMS continúan hasta el día de hoy, midiendo con cada vez mayor precisión las propiedades del Higgs. Hablemos ahora de los otros dos experimentos del LHC, y de algunos detalles técnicos que creo que serán de interés.

LHCb es el tercero de los experimentos del LHC, y busca entender mejor la diferencia entre materia y antimateria. La motivación para querer conocer esa diferencia la encontramos alrededor nuestro: hay materia por todos lados, pero casi nada de antimateria. De encontrarse alguna diferencia en el comportamiento de ambas, se podría entender qué pasó con toda la antimateria luego de la creación del Universo.

El cuarto experimento, ALICE, busca entender un nuevo estado de la materia, llamado plasma de quarks y gluones. Se cree que este estado era abundante en la era del Big Bang. Para este experimento específico, un mes al año, el LHC manda iones de plomo por el túnel, en vez de mandar protones, de modo que la densidad energética sea mayor.

Estos cuatro experimentos estudian aspectos distintos de la física de partículas, producto de un mismo fenómeno: la colisión de dos haces de partículas. Lograr esto ha sido una tarea titánica.

Por ejemplo, los conductos por donde pasan los protones deben encontrarse completamente vacíos, ya que de no estarlo los protones podrían chocar y perder energía. La tecnología desarrollada para esto permite conseguir un estado de vacío de 10^-10 mbar, que es equivalente a la presión del espacio exterior. Con esto, el LHC es el lugar más vacío del mundo.

Adicionalmente, para hacer que los protones giren alrededor de la circunferencia, sin perder energía, se usan imanes superconductores. Estos imanes funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto, específicamente, -271.3°C. Esta temperatura es más fría que el espacio exterior, haciendo del LHC uno de los lugares más fríos en el universo conocido.

Es entonces evidente que el LHC es, además, uno de los mayores logros de la ingeniería en la historia de la humanidad. Este es un buen ejemplo de cómo la investigación básica es capaz de motivar desarrollo tecnológico de punta.

Pero la historia no acaba ahí. En julio del 2015 se publicó un estudio sobre el costo-beneficio del acelerador. Los beneficios se presentaron de forma cuantitativa, dando un valor económico al impacto que tuvo en generación de conocimiento, desarrollo de capital humano, transferencia tecnológica y efectos culturales, entre otras cosas. Considerando que la construcción y operación del LHC costó casi 14 mil millones de euros (comparable a lo que cuesta un portaaviones), la conclusión es que los beneficios del LHC excedieron los costos, con una probabilidad del 92%. En ese caso, se calcula que los beneficios superarían los costos en aproximadamente 3 mil millones de euros.

El mensaje es muy claro: con la investigación siempre se gana, incluso cuando el tema de investigación es algo que suena tan esotérico como el bosón de Higgs.

A muchos seguro les sorprenderá saber que el Perú recibe parte de estos beneficios. Por un lado, la PUCP es miembro del experimento ALICE, aquel que estudia el plasma de quarks y gluones. A través del Grupo de Altas Energías, el Perú ha contribuido en el diseño y estudio del rendimiento de los detectores, ha desarrollado algoritmos para el análisis de los fenómenos presentes en el detector, además de estudiar la física en sí. En los últimos años, se ha empezado a desarrollar hardware localmente.

Todos los avances en ciencia y tecnología obtenidos por esta colaboración se quedan en el país. Todo el personal entrenado (estudiantes de maestría y doctorado) serán capaces de usar el conocimiento adquirido para seguir desarrollando ciencia y tecnología localmente.

Por supuesto, estos beneficios no vienen sólo del CERN. La PUCP y la UNI trabajan en los experimento MINERvA y DUNE, ubicados en Fermilab, EEUU. Este laboratorio es el segundo más importante del mundo. MINERvA busca medir las probabilidades de interacción de partículas neutras, llamadas neutrinos, con distintos materiales. Por otro lado, DUNE, por ejecutarse en el 2025, será vital en el estudio de oscilaciones de neutrinos.

Adicionalmente, en ambas universidades se lleva a cabo investigación teórica relacionada con el Higgs, neutrinos y física más allá del Modelo Estándar. Tal como los estudios experimentales, los estudios teóricos vienen acompañados siempre de desarrollo de software y técnicas de análisis.

Por ende, a pesar de que la física del bosón de Higgs pueda sonar abstracta y lejana, es crucial darle importancia. Porque con ella, y con toda la ciencia en general, ganamos todos.