El Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider o LHC, en inglés) es el acelerador y colisionador de partículas más grande del mundo. Se encuentra en el laboratorio CERN, situado cerca de Ginebra, en la frontera entre Suiza y Francia. El LHC es un anillo subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia, que se encuentra a una profundidad de entre 50 y 175 metros. Dentro del anillo, paquetes de partículas (principalmente protones) son acelerados casi a la velocidad de la luz y luego colisionados entre sí. Los imanes superconductores se utilizan para guiar y acelerar las partículas. Para mantenerlos superconductores, el LHC opera a temperaturas incluso más bajas que las del espacio exterior (alrededor de -271.3 °C).

Uno de los objetivos principales del LHC era descubrir el bosón de Higgs, una partícula teórica que da masa a otras partículas según el Modelo Estándar de la física de partículas. En 2012, se anunció el descubrimiento del bosón de Higgs, lo que le valió a François Englert y Peter W. Higgs el Premio Nobel de Física en 2013. Además, el LHC busca responder otras preguntas fundamentales, como la existencia de la materia oscura, las dimensiones extras del espacio y la naturaleza de la simetría en el universo.

El LHC no sólo es un acelerador de partículas. Alrededor de su anillo, hay varios detectores gigantes que estudian las colisiones. Algunos de los más notables son ATLAS, CMS, ALICE y LHCb. Cada uno tiene un diseño y un propósito específico. El LHC ha revolucionado nuestra comprensión del universo a nivel subatómico. Además del descubrimiento del bosón de Higgs, ha proporcionado numerosos datos que han permitido comprobar y ajustar el Modelo Estándar. También ha impulsado avances tecnológicos, como los imanes superconductores y los sistemas de enfriamiento.

Actualizaciones y Futuro: El LHC ha tenido varias paradas para mejoras y actualizaciones desde su inicio. Se espera que en el futuro siga siendo una herramienta crucial para explorar las fronteras de la física de partículas. El LHC es una herramienta esencial en la búsqueda continua de comprender el universo a nivel fundamental. Su diseño, operación y resultados han proporcionado un profundo conocimiento sobre la materia, la energía, el espacio y el tiempo.

El bosón de Higgs es una partícula elemental que fue propuesta en 1964 y finalmente descubierta en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN. Esta partícula juega un papel crucial en el Modelo Estándar de la física de partículas, ya que está asociada al mecanismo por el cual las partículas obtienen masa. Después de su producción en el LHC, el bosón de Higgs no es estable y decae rápidamente en otras partículas. Sus modos de decaimiento y sus probabilidades respectivas (llamadas anchos de decaimiento) son predichos con bastante precisión por el Modelo Estándar y han sido objeto de intensos estudios experimentales en el LHC para comprobar estas predicciones.

Algunos de los posibles modos de decaimiento del bosón de Higgs incluyen: Decaimiento a bosones W: (H \to W^+ W^-). Decaimiento a bosones Z: (H \to Z Z). Decaimiento a quarks inferiores (bottom): (H \to b \bar{b}). Decaimiento a tauones: (H \to \tau^+ \tau^-). Decaimiento a fotones: (H \to \gamma \gamma). Decaimiento a gluones: (H \to gg), a través de un bucle con quarks en el intermediario.

El modo exacto de decaimiento del bosón de Higgs depende de su masa, que se encuentra alrededor de 125 GeV/c^2. Basado en esta masa, el decaimiento más común del bosón de Higgs en el Modelo Estándar es a un par de quarks inferiores (bottom), seguido de decaimientos a bosones W y Z. Sin embargo, debido a cuestiones técnicas en la detección, algunos de los canales más limpios y más fáciles de identificar son los decaimientos a fotones y a bosones vectoriales, a pesar de que estos últimos son más raros.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN es una infraestructura compleja y avanzada que requiere un mantenimiento regular y mejoras periódicas para operar de manera eficiente y segura, y para estar a la vanguardia de la investigación científica. Desde su construcción, el LHC ha pasado por varias etapas de mantenimiento y mejoras. Estas etapas se suelen denominar «pausas» y se han planificado de antemano para permitir la actualización y renovación de los equipos.

Aquí hay una descripción general de las etapas de mantenimiento y mejora que se habían planeado y ejecutado: Pausa 1 (LS1): Duración: 2013-2015. Objetivos: Consolidación de los imanes superconductores, mejoras en la criogenia y la instalación de sistemas de protección adicionales. Este parón también permitió la reparación y consolidación de las interconexiones entre los imanes, una tarea necesaria tras los incidentes iniciales de 2008.

Pausa 2 (LS2): Duración: 2019-2021. Objetivos: Se llevaron a cabo mejoras significativas en el LHC y en sus experimentos. Se renovaron y mejoraron varios componentes clave del acelerador para permitir su funcionamiento a luminosidades más altas. También se realizaron mejoras en los sistemas de detección. Pausa 3 (LS3): Duración prevista: A mediados de la década de 2020. Objetivos previstos: Esta pausa está planeada principalmente para llevar a cabo las actualizaciones necesarias para el LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC), un proyecto destinado a aumentar significativamente la luminosidad del LHC. Esto permitirá a los investigadores obtener una cantidad mucho mayor de datos.

A lo largo de estas pausas y entre ellas, también se han llevado a cabo mantenimientos más pequeños y periódicos, esenciales para garantizar la seguridad y la eficiencia del LHC. Además, las pausas de mantenimiento ofrecen a los científicos la oportunidad de analizar los datos recopilados antes de la siguiente etapa de funcionamiento. Es importante tener en cuenta que, debido a la naturaleza avanzada del LHC y a los rápidos desarrollos en el campo de la física de partículas, es probable que se planifiquen y realicen futuras pausas y mejoras más allá de lo que se ha detallado aquí.

El LHC se sometió a una segunda pausa importante (Pausa 2, o LS2) a fines de 2018. Esta pausa estaba programada para durar aproximadamente dos años y se destinó a mejorar y actualizar tanto el acelerador como los experimentos. Durante este tiempo, se llevaron a cabo una serie de trabajos en el LHC y en sus experimentos asociados. Por ejemplo, se mejoraron los sistemas de criogenia, se reforzaron las interconexiones de los imanes y se realizaron mejoras en los sistemas de detección de los experimentos.

La pandemia de COVID-19, que surgió a finales de 2019 y se extendió globalmente en 2020, afectó a muchas instituciones y proyectos en todo el mundo, incluido el CERN y sus operaciones. Debido a las medidas de seguridad y salud, muchas actividades en el CERN tuvieron que ser retrasadas o ajustadas para garantizar la seguridad del personal. Como resultado, es cierto que algunos de los trabajos de mantenimiento y mejora en el LHC y en los experimentos asociados se vieron afectados, lo que llevó a retrasos en la finalización de la Pausa 2 y la reanudación de las operaciones del LHC.

La unidad «femtobarn inverso» (fb⁻¹) es una medida de luminosidad integrada en experimentos de física de partículas. En términos simples, la luminosidad representa la cantidad de colisiones por unidad de área en un colisionador de partículas. Por lo tanto, una mayor luminosidad significa más colisiones y, por lo tanto, más oportunidades de observar eventos raros. Cuando hablamos de luminosidad «integrada», nos referimos a la cantidad total de colisiones acumuladas durante un período de tiempo.

La unidad «barn» (b) es una medida de área utilizada específicamente en la física de partículas y es equivalente a (10^{-28}) metros cuadrados. «Femto-» es un prefijo que significa (10^{-15}). Por lo tanto, un femtobarn es (10^{-43}) metros cuadrados. Un femtobarn inverso (fb⁻¹) es simplemente la inversa de esta cantidad. En el contexto de la física de partículas, cuando decimos que un experimento ha recolectado una cierta cantidad de datos, como «40 fb⁻¹», nos referimos a la luminosidad integrada.

A medida que se mejora el LHC, se busca aumentar la luminosidad (y, por lo tanto, la luminosidad integrada) para que los experimentos puedan acumular más datos en menos tiempo. Algunas de las actualizaciones del LHC, como el proyecto de LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC), tienen como objetivo específico aumentar esta luminosidad. Un aumento en los femtobarns inversos colectados por un experimento significa que los científicos tienen más datos a su disposición para buscar fenómenos nuevos o raros, lo que aumenta las posibilidades de hacer nuevos descubrimientos o de confirmar o refutar teorías existentes con mayor precisión.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN es el acelerador de partículas más grande y poderoso del mundo. A lo largo de su anillo de 27 kilómetros, hay varios puntos de colisión donde se sitúan grandes experimentos o detectores. Los cuatro principales son ATLAS, CMS, LHCb y ALICE. Estos experimentos tienen distintas metas y diseños para estudiar varios aspectos de las colisiones de partículas:

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus): Objetivo: Es un detector de propósito general, similar a CMS. Fue diseñado para abordar una amplia gama de preguntas en la física de partículas, desde la búsqueda del bosón de Higgs hasta posibles indicaciones de nueva física más allá del Modelo Estándar. Diseño: ATLAS es uno de los detectores más grandes jamás construidos y tiene una estructura toroidal debido a los imanes que utiliza. Está compuesto por varios sistemas de detección que rodean el punto de colisión, permitiendo registrar con detalle las partículas producidas.

CMS (Compact Muon Solenoid): Objetivo: Al igual que ATLAS, CMS es un detector de propósito general destinado a investigar una amplia gama de fenómenos físicos. Diseño: A pesar de su nombre «Compacto», CMS es masivo. Sin embargo, es considerablemente más pequeño en volumen que ATLAS, pero es más pesado debido a su construcción. Utiliza un potente solenoide magnético para curvar las trayectorias de las partículas cargadas, lo que ayuda en su identificación y medición.

LHCb (Large Hadron Collider beauty): Objetivo: Está especializado en estudiar las diferencias entre materia y antimateria analizando partículas que contienen el quark «beauty» (también llamado «bottom»). Diseño: A diferencia de ATLAS y CMS, LHCb no es un detector de geometría cilíndrica completa; está diseñado para observar colisiones en una región con forma de cono, apuntando hacia adelante desde el punto de colisión.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment): Objetivo: Fue diseñado específicamente para estudiar el plasma de quarks y gluones, un estado de la materia que se cree existió justo después del Big Bang. ALICE estudia este plasma utilizando colisiones de iones pesados, como plomo con plomo. Diseño: ALICE tiene una serie de detectores que son especialmente sensibles a las muchas partículas producidas en las colisiones de iones pesados.

El misterio de la asimetría entre materia y antimateria es uno de los grandes enigmas sin resolver en la física. A grandes rasgos, se espera que el Big Bang produjera cantidades iguales de materia y antimateria. Sin embargo, observamos que nuestro Universo está dominado por la materia, con la antimateria siendo prácticamente inexistente a gran escala. Aquí hay una descripción más detallada del problema y lo que se sabe sobre él:

Simetría CP y Violación CP: En la física de partículas, las transformaciones C y P corresponden a la conjugación de carga y la paridad, respectivamente. La simetría CP implica que las leyes de la física deberían ser las mismas si invertimos la carga de una partícula (convertirla en su antipartícula) y reflejamos su espín. Sin embargo, en los años 60, se descubrió que ciertos procesos que involucran kaones violaban la simetría CP. Esto se conoce como «violación CP» y es una condición necesaria (pero no suficiente) para explicar la asimetría materia-antimateria.

Condiciones de Sakharov: En 1967, el físico Andrei Sakharov propuso tres condiciones necesarias para que se generara una asimetría en el contenido de materia frente a antimateria: a. Violación bariónica: Debe existir algún proceso que viole la conservación del número bariónico. b. Violación de la simetría C y CP: Como se mencionó anteriormente. c. Desviación del equilibrio térmico: La asimetría no puede generarse en equilibrio termodinámico. Debe haber una expansión o cambio que aleje al sistema del equilibrio.

Mecanismos propuestos: a. Violación CP en el Modelo Estándar: Si bien el Modelo Estándar de la física de partículas predice la violación CP (principalmente a través del mecanismo de Kobayashi-Maskawa en el sector de quarks), la cantidad de asimetría que produce es insuficiente para explicar la predominancia observada de materia sobre antimateria. b. Física más allá del Modelo Estándar: Se ha propuesto que nuevas partículas o interacciones, que van más allá del Modelo Estándar, podrían ser responsables de una mayor violación CP, y por lo tanto, podrían explicar la asimetría. Teorías como la supersimetría y las teorías de gran unificación son candidatas en este contexto. c. Bariogénesis electrodébil: Este es un mecanismo propuesto en el que, durante una transición de fase en el Universo temprano, se produjo una violación bariónica que llevó a una asimetría entre materia y antimateria.

Experimentos actuales: Los experimentos actuales, como los realizados en el LHCb en el CERN y en otros laboratorios alrededor del mundo, están buscando una mayor evidencia de violación CP, especialmente en el sector de leptones, como en las desintegraciones de mesones B en muones, o en fenómenos asociados con neutrinos. Aunque hemos hecho progresos significativos en la comprensión de la asimetría entre materia y antimateria, aún no se tiene una explicación completa. La respuesta probablemente requerirá una combinación de experimentación adicional y nuevas teorías teóricas que vayan más allá de nuestro actual Modelo Estándar de la física de partículas.

Vamos a abordar cada uno de estos términos por separado para ofrecer una descripción clara: Leptones: Los leptones son una familia de partículas subatómicas que forman una de las principales categorías de partículas fundamentales en el Modelo Estándar de la física de partículas. No tienen subestructura (es decir, no están formados por partículas más pequeñas) y tienen espín 1/2. Hay seis leptones en total, agrupados en tres generaciones: Electrón y neutrino electrónico. Muón y neutrino muónico. Tau y neutrino tauónico. De estos, el electrón es el más familiar ya que forma parte de los átomos. Los neutrinos son partículas ultraligeras y apenas interactúan con la materia, lo que los hace difíciles de detectar.

Muones: El muón es uno de los leptones y es similar al electrón pero aproximadamente 200 veces más masivo. Al igual que el electrón, el muón tiene carga eléctrica negativa. A pesar de ser más pesado que el electrón, el muón es inestable y decae a través de la interacción débil, generalmente a un electrón y dos neutrinos. Los muones se producen en gran cantidad en los aceleradores de partículas y en las interacciones de los rayos cósmicos con la atmósfera terrestre.

Plasma primigenio (o plasma de quarks y gluones): En las primeras fracciones de segundo después del Big Bang, el universo era extremadamente caliente y denso. Se cree que en estas condiciones extremas, los protones y neutrones no podían existir como entidades individuales. En cambio, los quarks y gluones (las partículas más fundamentales que componen los protones y neutrones en condiciones normales) existían en un estado libre, en un «mar» de partículas cargadas. A este estado se le llama plasma de quarks y gluones.

El plasma de quarks y gluones es muy diferente de los plasmas más familiares (como los encontrados en las estrellas), ya que está formado por quarks y gluones en lugar de átomos o núcleos atómicos ionizados. Experimentos en colisionadores de partículas como el RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) en Brookhaven y el LHC en el CERN han recreado condiciones similares al plasma de quarks y gluones al colisionar iones pesados, como núcleos de plomo, a energías extremadamente altas. El experimento ALICE en el LHC, por ejemplo, se dedica especialmente a estudiar este estado de la materia. Estos términos son esenciales para la física de partículas y la cosmología, y las investigaciones en estas áreas continúan ofreciendo percepciones sobre la naturaleza fundamental del universo y la materia.

En los primeros 10 microsegundos (0,00001 segundos) después del Big Bang, el Universo estaba en un estado extremadamente caliente y denso. Durante este periodo, el Universo estaba dominado por lo que se conoce como plasma de quarks y gluones (QGP, por sus siglas en inglés).

El plasma de quarks y gluones se caracteriza por: Constituyentes libres: En el QGP, los quarks y gluones, que son los constituyentes fundamentales de protones, neutrones y otras partículas hadrónicas, no estaban confinados dentro de estas partículas. En su lugar, se movían libremente en un «mar» extremadamente caliente y denso. Interacciones fuertes: Los quarks y gluones interactúan entre sí a través de la interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En el QGP, debido a las altas temperaturas y densidades, estas interacciones eran muy intensas.

Transición de fase: A medida que el Universo se expandió y se enfrió, el QGP eventualmente pasó por una transición de fase, durante la cual los quarks y gluones se combinaron para formar hadrones, como protones y neutrones. Esta transición se conoce como «hadronización». Estos primeros microsegundos son de especial interés para los físicos porque durante este tiempo el Universo estaba en un estado que ya no se observa de forma natural. Sin embargo, los científicos han intentado recrear el QGP en laboratorios de la Tierra. Como se mencionó anteriormente, los colisionadores de partículas como el RHIC y el LHC colisionan iones pesados a altas energías con el objetivo de estudiar el QGP y entender mejor las propiedades de la materia en estas condiciones extremas.

La materia oscura es uno de los mayores misterios de la astrofísica y la cosmología contemporáneas. Aunque no podemos observarla directamente, su existencia ha sido inferida a partir de sus efectos gravitacionales en la materia visible y en la estructura a gran escala del Universo. Veamos lo que sabemos y lo que se encuentra «más allá» en términos de nuestra búsqueda de respuestas:

Materia Oscura: Evidencia Observacional: Rotación de las Galaxias: Las curvas de rotación de las galaxias muestran que las estrellas en sus partes exteriores se mueven más rápido de lo que esperaríamos si solo consideramos la materia visible. Esto sugiere la presencia de una forma de materia no detectable que proporciona gravedad adicional. Lentes Gravitacionales: Grandes acumulaciones de materia oscura pueden desviar la luz de objetos más distantes debido al efecto de lente gravitacional.

Dinámica de Cúmulos de Galaxias: La velocidad de las galaxias en los cúmulos indica que hay mucha más masa en los cúmulos de la que se puede ver. Radiación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB): Las fluctuaciones en el CMB también proporcionan evidencia de materia oscura. ¿Qué no es la materia oscura?: Sabemos que la materia oscura no está compuesta por átomos convencionales (bariones) como los que componen estrellas, planetas y seres humanos. Tampoco puede ser explicada completamente por estrellas oscuras, planetas o agujeros negros.

Candidatos: Partículas WIMPs: Las «Weakly Interacting Massive Particles» (WIMPs) son uno de los principales candidatos para la materia oscura. Estas partículas interactuarían muy débilmente con la materia normal y entre sí, excepto a través de la gravedad. Axiones: Son partículas hipotéticas muy ligeras que podrían existir en grandes números y, por lo tanto, contribuir a la densidad de materia oscura. MACHOs: Los «MAssive Compact Halo Objects» (MACHOs) son objetos como planetas errantes, estrellas de neutrones o agujeros negros que no emiten luz. Aunque pueden contribuir, no se considera que sean la principal forma de materia oscura. Otros: Existen muchos otros candidatos y modelos propuestos, pero estos son algunos de los más prominentes.

Más allá de la Materia Oscura: A medida que buscamos respuestas sobre la materia oscura, es posible que tengamos que considerar teorías y conceptos que van más allá del actual Modelo Estándar de la física de partículas. Física más allá del Modelo Estándar: Las teorías como la supersimetría, que extienden el Modelo Estándar, podrían proporcionar candidatos para la materia oscura. Gravedad Modificada: Algunos científicos han propuesto que en lugar de invocar la existencia de materia oscura, podría ser necesario modificar nuestras teorías actuales de gravedad, especialmente a escalas cósmicas.

Interacciones con la Energía Oscura: La energía oscura, que está detrás de la acelerada expansión del Universo, es otro gran misterio. Aunque la materia oscura y la energía oscura se estudian generalmente por separado, podrían estar interconectadas de maneras que aún no entendemos completamente. La materia oscura sigue siendo uno de los principales desafíos en la cosmología y la física de partículas. Aunque tenemos evidencia sólida de su existencia, aún estamos tratando de determinar su verdadera naturaleza y propiedades.

La frase «El LHC quiere destrozar la física para construirla de nuevo» es una manera poética o sensacionalista de describir los objetivos y el impacto del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) en la física de partículas. No es literal, pero captura la esencia de la ambición del LHC y su potencial para revolucionar nuestro entendimiento del universo a nivel fundamental.

Vamos a desglosar esta idea: Destrozar la Física: En un sentido literal, el LHC «destroza» partículas al hacerlas colisionar a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Estas colisiones producen un zoo de otras partículas que los científicos pueden estudiar para entender mejor la naturaleza de la materia. Figurativamente, si el LHC produce resultados que no se alinean con el Modelo Estándar (la teoría actual que describe las partículas fundamentales y sus interacciones), podría «destrozar» nuestras ideas actuales o preconcebidas sobre cómo funciona el universo.

Construirla de Nuevo: A través de sus descubrimientos, el LHC tiene el potencial de ofrecer pistas o evidencia que podría llevar a nuevas teorías o revisiones del Modelo Estándar. Estas nuevas teorías podrían proporcionar una comprensión más completa o más precisa de la naturaleza de la materia y el universo. Un ejemplo es el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 por los experimentos ATLAS y CMS en el LHC. Aunque este descubrimiento confirmó una pieza clave del Modelo Estándar, también abrió una serie de nuevas preguntas sobre las propiedades del bosón de Higgs y cómo se relaciona con otras partículas y fuerzas.

Por supuesto, el LHC no tiene intenciones o deseos propios; es una herramienta utilizada por los físicos para sondear las profundidades del universo a las escalas más pequeñas. Pero la ambición subyacente es ciertamente desafiar, confirmar o refinar nuestras teorías actuales y, si es necesario, desarrollar nuevas teorías que describan mejor la realidad observada. En ese sentido, el LHC está en la vanguardia de los esfuerzos por «destrozar» y «reconstruir» nuestra comprensión de la física.