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Estas son las máquinas que están tratando de resolver los mayores misterios de la física

Estas son las máquinas que están tratando de resolver los mayores misterios de la física

A pesar del estereotipo de un Einstein solitario, despeinado y trabajando incansablemente delante de una pizarra, los mayores descubrimientos actuales del mundo de la física provienen de grandes colaboraciones entre científicos que trabajan utilizando aparatos enormes que pueden costar miles de millones de dólares, y que a menudo están ubicados en los lugares más extremos de la Tierra. Al fin y al cabo, solo están tratando de entender todo el entramado del universo.

Durante el siglo pasado, los físicos descubrieron una sorprendente cantidad de cosas sobre cómo funciona nuestro universo, Aunque también dejaron grandes preguntas sin respuesta. Algunos de los avances más importantes han sido la comprensión de cómo las pequeñas partículas interactúan y afectan el funcionamiento del cosmos. Todo lo que podemos detectar en el universo está hecho de partículas, cuyo comportamiento es descrito por una teoría llamada Modelo Estándar de la física de partículas. Esa teoría divide las partículas en quarks y leptones (que a su vez incluyen a los electrones y a los neutrinos). Cada una de esas partículas tiene una antipartícula que tiene la misma masa pero que es esencialmente una imagen especular, con la carga eléctrica opuesta.

Estas partículas interactúan a través de fuerzas gobernadas por otras partículas llamadas bosones. Es posible que hayas oído hablar del bosón de Higgs: fue la última partícula que había predicho —pero no detectado— el Modelo Estándar, y los científicos finalmente anunciaron su descubrimiento en 2012. Esa fue una gran victoria para el campo de la física, el tipo de descubrimiento que encabeza todos los titulares y justifica los precios desorbitados de los enormes aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones. Pero desde entonces, a pesar de que se han producido muchas investigaciones interesantes, no ha habido otro gran descubrimiento comparable al del bosón de Higgs.

Hay tanto que aún no sabemos. El Modelo Estándar no explica qué causó el comienzo del universo, o por qué hay más materia que antimateria, o la naturaleza de un material misterioso e invisible llamado materia oscura. No explica por qué la expansión del universo se está acelerando, un efecto actualmente atribuido a algo bautizado como energía oscura.

Estas preguntas y otros misterios sobre el universo han llevado a los físicos a construir algunos instrumentos realmente alucinantes en busca de respuestas.

Gran colisionador de hadrones

Imagen del detector ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones.
Foto: Claudia Marcelloni (CERN)
Imagen del detector ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones.
Foto: Claudia Marcelloni (CERN)

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) es el destructor de átomos más poderoso del mundo. Consiste en un par de anillos entrecruzados que se encuentran dentro de un túnel redondo de 27 kilómetros en el campus del CERN, cerca de Ginebra. El LHC toma protones (o núcleos atómicos completos) de otros aceleradores del CERN, añade aún más energía por medio de imanes superconductores y cavidades radiofrecuencia, y hace que colisionen entre sí dentro de una serie de detectores que tienen el tamaño de un edificio, diseñados para observar el resultado de estas colisiones. Recientemente, los científicos que trabajan en el LHC encontraron algunos indicios interesantes de una discrepancia entre lo que el Modelo Estándar predice sobre una partícula llamada mesón B0 y lo que realmente ocurre dentro del experimento.

El experimento XENON1T

El tanque de la izquierda, donde se encuentra todo el xenón líquido, tiene el tamaño de un edificio de tres plantas.
Foto: The XENON Experiment
El tanque de la izquierda, donde se encuentra todo el xenón líquido, tiene el tamaño de un edificio de tres plantas.
Foto: The XENON Experiment

La búsqueda de materia oscura ha llevado a los físicos al subsuelo con experimentos como el XENON1T. Como su nombre parece sugerir, el XENON1T consiste en un tanque lleno con una tonelada de xenón líquido, colocado bajo tierra para proteger el medio detector, sensible ante cualquier potencial ruido de fondo. El experimento está a la espera de una partícula llamada WIMP (weakly interacting massive particles), que supuestamente ayudará a explicar la existencia de materia oscura. El XENON1T y experimentos como éste aún no han descubierto indicios de materia oscura, pero han podido descartar ciertas posibilidades. El XENON1T se encuentra en plena transformación para convertirse en el XENONnT, que contendrá 8 toneladas de xenón líquido.

El Espectrómetro Magnético Alpha

El Espectrómetro Magnético Alpha es un experimento de la física de partículas que va en la parte de atrás del transbordador Endeavor.
Foto: NASA
El Espectrómetro Magnético Alpha es un experimento de la física de partículas que va en la parte de atrás del transbordador Endeavor.
Foto: NASA

Otros experimentos están buscando la materia oscura en el espacio. El Espectrómetro Magnético Alpha, lanzado desde la Tierra en 2011, es un experimento que ha estado midiendo partículas de alta energía a bordo de la Estación Espacial Internacional. Es uno de los pocos experimentos que tienen lugar en el espacio y que parecen observar un exceso de positrones, el compañero antimateria del electrón. También pretende verificar una extraña disminución de partículas de alta energía que descubrió un satélite chino llamado DAMPE. Estas observaciones pueden proporcionar más pistas sobre la verdadera naturaleza de la materia oscura.

Super-Kamiokande

Ingenieros dentro del observatorio de neutrinos Super-Kamiokande
Foto: The Institute for Cosmic Ray Research of the University of Tokyo
Ingenieros dentro del observatorio de neutrinos Super-Kamiokande
Foto: The Institute for Cosmic Ray Research of the University of Tokyo

La rareza general de los neutrinos (la forma en que atraviesan la mayoría de la materia sin interactuar con ella) ha llevado a los científicos a construir experimentos para tratar de medirlos. Super-Kamiokande es un enorme tanque que contiene 50.000 toneladas de agua. Se encuentra debajo del Monte Ikeno en Japón, y está repleto de detectores que convierten diminutos destellos de luz en señales que son leídas por ordenadores. Al igual que otros experimentos llevados a cabo en tanques gigantes, se encuentra esperando a sus partículas objetivo, en este caso, neutrinos provenientes del Sol, del espacio profundo, o que hayan sido producidos en el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón, a 300 kilómetros de distancia. El Super-K es más famoso por haber descubierto el comportamiento del cambio de identidad de los neutrinos, conocido como oscilación de neutrinos, y recientemente apareció en los medios debido a una medición que sugiere que los neutrinos podrían diferir de sus compañeros antipartículas, lo que los científicos creen que es un requisito previo para explicar por qué el universo contiene más materia que antimateria.

IceCube

El laboratorio Icecube en la estación Amundsen-Scott en la Antártida.
Foto: Felipe Pedreros, IceCube/NSF
El laboratorio Icecube en la estación Amundsen-Scott en la Antártida.
Foto: Felipe Pedreros, IceCube/NSF

Otros observatorios de neutrinos tienen diferentes diseños, pero el más sorprendente de éstos podría ser el observatorio IceCube del Polo Sur. A pesar de su remota ubicación, IceCube es básicamente un Super-Kamiokande congelado. Se compone de 86 “cadenas”, cada una con 60 módulos de detección de luz, que han sido colocadas en agujeros excavados entre 1350 y 2500 metros bajo el hielo. Los neutrinos crean pequeños destellos en el raro caso de que interactúen con el hielo antártico que se encuentra debajo, y que los detectores pueden percibir. IceCube ya ha realizado mediciones increíbles de neutrinos del espacio exterior y, más recientemente, encontró el origen de unos rayos cósmicos de alta energía que golpearon a la Tierra.

Muon g-2

El imán Muon g-2
Foto: Reidar Hahn (Fermilab)
El imán Muon g-2
Foto: Reidar Hahn (Fermilab)

A pesar de sus aciertos, el Modelo Estándar de la física de partículas no explica todo lo que los físicos observan en el universo, por lo que están buscando formas de romper con este modelo. Los esperados resultados del experimento Muon g-2 del Fermilab probablemente proporcionarán algunas ideas sobre un área donde el Modelo Estándar podría fallar. Los resultados preliminares ya parecen mostrar indicios de una discrepancia entre el Modelo Estándar y las mediciones reales.

Un muón es básicamente un primo más pesado del electrón, y se cree que su valor “g”, un número que controla cómo se comporta en un campo magnético, es alrededor de 2. Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven construyeron un enorme imán circular y pasaron muones a través de él, y consiguieron medir que el valor de g-2 (la diferencia entre g y 2), estaba ligeramente desviado de lo que predice el Modelo Estándar. Los científicos del Laboratorio Brookhaven National se coordinaron con el Fermilab para continuar el experimento con más muones aun, y las nuevas mediciones de g-2 deberían salir dentro de poco.

El observatorio Vera C. Rubin

El observatorio Vera C. Rubin en construcción
Foto: LSST Project/NSF/AURA
El observatorio Vera C. Rubin en construcción
Foto: LSST Project/NSF/AURA

El universo se está expandiendo, y esta expansión se está acelerando. Los científicos piensan que algo llamado energía oscura está causando esta aceleración. Los cálculos parecen mostrar que la energía oscura constituye más de dos tercios de la energía y de la masa total del universo, pero no sabemos qué es realmente la energía oscura. Dentro de poco, el Observatorio Vera C.Rubin podrá mapear aproximadamenete la mitad del cielo cada pocas noches, creando un vídeo del cosmos visible, que ayudará a los investigadores a comprender el impacto de la energía oscura en el destino final del universo. Está programado que el telescopio comience sus operaciones científicas en 2023.

LIGO

El tramo septentrional del interferómetro LIGO en el estado de Washington
Foto: Umptanum (Wikimedia Commons)
El tramo septentrional del interferómetro LIGO en el estado de Washington
Foto: Umptanum (Wikimedia Commons)

En 2016, los científicos anunciaron que habían observado ondas que viajaban a la velocidad de la luz a través del espacio-tiempo, como resultado de dos agujeros negros chocándose entre sí. El experimento detrás de este descubrimiento, LIGO, consiste en un par de túneles dispuestos en forma de L, donde un láser se divide, viaja entre ambos túneles y luego se vuelve a unir en un detector. Las ondas gravitacionales que pasan hacen que los dos haces entren y salgan de fase, creando un patrón que contiene información sobre las ondas.

Los dos observatorios LIGO, más el observatorio Virgo en Italia, han seguido midiendo ondas gravitacionales e incluso han visto las ondas gravitacionales que acompañan al destello de luz que aparece cuando un par de estrellas de neutrones colisionan. En última instancia, estas observaciones podrían proporcionar información sobre la tasa de expansión del universo o sobre la verdadera naturaleza de la materia oscura.

El Telescopio del Horizonte de Sucesos

El centro del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un conjunto de antenas que forma parte del Telescopio del Horizonte de Sucesos.
Foto: NRAO/AUI/NSF
El centro del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un conjunto de antenas que forma parte del Telescopio del Horizonte de Sucesos.
Foto: NRAO/AUI/NSF

Pocos objetos en el espacio nos cautivan tanto como los agujeros negros, pero son más que simples objetos sorprendentes de nuestro cielo. También son lugares donde la gravedad es tan extrema que pone a prueba los límites de la relatividad general, y donde los efectos de las fuerzas cuánticas de menor escala entran en acción. Los científicos de todo el mundo han convertido esencialmente el planeta Tierra en un telescopio gigante al vincular entre sí ocho instalaciones de observación (y pronto más) para obtener la primera imagen de la sombra de un agujero negro, en este caso, la sombra que proyectó el agujero negro que hay en el centro de la galaxia M87. Los investigadores aún no han terminado: pronto deberíamos ver una imagen y tal vez incluso un vídeo del agujero negro que hay en el centro de nuestra propia galaxia.


Texto original escrito por Ryan Mandelbaum para Gizmodo. Traducción al español: Julio Cerezo

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