viernes, 25 de julio de 2008

El gran colisionador de hadrones (LHC) II: Aportaciones

El gran colisionador de hadrones (LHC) fue construido para encontrar respuestas a cuestiones que aún no están completamente esclarecidas.

La investigación en los últimos años permitió a los físicos poder formular modelos para describir las partículas fundamentales y su interacción en el Universo. Tal comprensión constituyo el modelo estándar de física de partículas, sin embargo el modelo no llega a ser una teoría al no poder explicar todas las interacciones.

Y es en este punto en donde cobra importancia el LHC que se estima aportará datos experimentales que complementen la comprensión del mundo. La información que se obtenga del colisionador servirá para comprender las siguientes áreas de la física:

Energía oscura


La energía oscura se considera una forma hipótetica de energía que se encuentra en el Universo, ejerce una presión negativa y tiende a aumentar la expansión del Universo. En el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura representa de un 70% a 73% de la masa-energía del Universo.

Se entiende que la energía oscura ejerce una presión negativa. La presión positiva se hace notar cuando una sustancia empuja a los objetos que están en su medio, como la que se observa en los fluidos. Por el contrario la presión negativa actúa cuando la sustancia tira de su medio.

Respecto a la naturaleza de la materia energía prevalece la especulación. Es conocida por ser homógenea, no ser muy densa y no se sabe como interactúa con las fuerzas fundamentales a excepción de la gravedad. Dado que su densidad es de 10−29 g/cm3, es compleja la elaboración de experimentos para detectarla en el el laboratorio.


Representación de la composición del Universo. Un 0.03 % lo constituye los elementos pesados, 0.3% neutrinos, estrellas son 0.5%, hidrógeno libre y helio el 4%, materia oscura 25% y la energía oscura un 70%. Propiedad de la NASA.


Materia oscura


La materia oscura es uno de los temas fundamentales de la astrofísica moderna. Es una materia hipótetica que se considera carece de interacción electromagnética y si la hay es tan debil que se confunde con la radiación de fondo de microondas. La materia oscura se clasifica en materia oscura bariónica y materia oscura no bariónica.

La primera conformada por electrones, protones y neutrones. En este tipo de materia se incluyen los gases que no emiten radiación electromagnética y la estrellas frías. Se considera que la materia oscura barionica es una pequeña parte de toda la materia oscura por la cantidad de deuterio que existe en el universo ya que el deuterio al estar formado por neutrones, protones y electrones, su relación en el Universo es menor.

Por lo tanto la mayor cantidad de materia oscura es la no bariónica que se divide a su vez en materia oscura caliente y materia oscura fría.

La materia oscura caliente, parte de la materia no bariónica, se mueve a velocidades cercanas a la luz, sin embargo no puede explicar la formación de galaxias en un estado donde las partículas se encuentran libres. Para explicar la estructura del Universo es necesario recurrir a la materia oscura fría que fue propuesta para solucionar el problema de la estructura del espacio.

Partiendo del supuesto que en un momento inicial existieran fluctuaciones, la distribución cambiaría la forma y propagación de las fluctuaciones. Si toda la materia oscura fuera caliente no se hubiera podido formar estructuras complejas porque las fluctuaciones ocurren con energía mucho menor. De suceder así las estructuras irían de una complejidad mayor a una menor, es decir que primero se habrían formado los supercumulos y luego estructuras menos complejas. Ahora bien si se considera la existencia de materia oscura fría, las fluctuaciones darían origen a estructuras de lo más simple hasta lo más complejo, lo cual concuerda con el modelo que conocemos del Universo.

En el estudio de la materia oscura, el mayor reto es la detección. Se estima que producto de las colisiones de hadrones en el LHC se produzcan neutralinos, la cual se considera una partícula pesada y estable que sería la mejor candidato para explicar la energía oscura.

Representación en 3D de la materia oscura en una porción del Universo. Propiedad de ESA.


Dimensiones adicionales


Sabemos que el mundo es tridimensional,aunque considerando el tiempo como una dimensión serían cuatro, (3 +1 dimensiones), pese a que el tiempo es muy diferente a las otras tres dimensiones, Lorentz y Einstein demostraron que el tiempo y el espacio están intrísecamente relacionados, pero en realidad no sabemos cuantas dimensiones existen en el mundo.

La idea de dimensiones adicionales o extras, surge de la teoría de cuerdas, la única teoría coherente con la gravedad y la mecánica cuántica. Partiendo de esta teoría para poder explicar la gravedad se necesita de 3+1 dimensiones y el mundo que nos rodea podría tener hasta 11 dimensiones espaciales.

Se sugiere que las dimensiones adicionales (si existen) no deberían ser muy diferentes a las dimensiones que conocemos.

Ver más alla de las dimensiones conocidas resulta improbable para el ser humano, sin embargo se podría "sentir" tales dimensiones adicionales a a través de su efecto en la gravedad. La interacción de las tres fuerzas fundamentales (electromagnética, nuclear fuerte y debil) es limitada a las 3+1 dimensión, sin embargo la cuarta fuerza fundamental que es la gravedad interactua y tiene efectos en las otras dimensiones. Sin embargo la fuerza de la gravedad es muy debil y su radio de dimensiones extras es pequeño, por lo que es difícil conocer sus efectos.

Para conocer los efectos de las dimensiones extras es necesario un instrumento diseñado para amplificar la interacción gravitacional, el cual se espera sea el LHC.

Representación de las dimensiones extras, en la cual un gravitón escapa de las tres dimensiones en una dimensión extra, resultando en una aparente nula conservación de la energía en las dimensiones conocidas. Propiedad de Universidad Brown.


Bosón de Higgs


El bosón de Higgs es una partícula hipotética masiva cuya existencia esta predicha por el módelo estándar de física de las partículas, sin embargo es la única partícula que no ha sido observada.

El bosón de Higgs explicaría por una parte porque las partículas fundamentales tienen masas tan diferentes (el fotón y el gluón no tienen masa) y por otra la relación entre masa y energía.

Si no se encontrará el bosón de Higgs el modelo anunciaría que todas las partículas se mueven a la velocidad de la luz (con lo cual no tendrían masa), no obstante la experiencia nos dice que es inadmisible. Por eso es importante encontrar tal partícula para dar consistencia al campo de Higgs.

El campo de Higgs permería el Universo, cuyo efecto sería que las partículas se comportarán como dotadas de masa, debido a la interacción entre las partículas fundamentales y el bosón.

Pese a los experimentos con aceleradores de partículas como el CERN o el Fermilab, aún no ha habido pruebas claras de su existencia. En este sentido es el Gran Colisionador de Hadrones el cual se considera capaz de confirmar o desmentir la existencia del bosón.

La detección del bosón de Higgs se realizará a partir del estudio de los residuos de la desintegración. Los resultados de las colisiones deberán ser filtrados para un posterior estudio.

Representación del bosón de Higgs, empleando ATLAS del LHC. Propiedad de CERN.


Supersimetría


En la física de las partículas, la supersimetría (SUSY por su acrónimo en inglés) es una teoría hipotética que relaciona las propiedades de bosones y los fermiones. Aunque la supersimetría no se considera un modelo de la simetría de la naturaleza, es una de las piezas fundamentales en la teoría de supercuerdas.

El modelo estándar considera la materia conformada por fermiones (divididos en quarks y leptones), mientras que las partículas que transmiten las fuerzas fundamentales son bosones. Puesto que un inicio del Universo las fuerzas fundamentales debieron estar unidas, la supersimetría trata de explicar porque se separarón. De acuerdo a la teoría cada partícula debiera tener una compañera llamada compañera supersimétrica. Así cada bosón tiene como compañera a una super fermión y los fermiones tienen super bosones como compañeras.

La supersimetría explica que en un momento dado las super compañeras producieron la separación de las fuerzas fundamentales.

Las partículas supersimétricas tienen una mayor masa que sus compañeras las partículas subátomicas por lo que para su observación se requiere una mayor energía para producir una colisión que las hace visibles, mediante el acelerador de particulas "LHC" se pretende que se tenga la energía suficiente para hacerlas visibles.

La supersimetría dice que las partículas subatómicas tienen menor masa que sus super compañeras. Propiedad de Smartplanet.

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