Desde los años 60, el profesor británico Peter Higgs comenzó a trabajar en una teoría sobre una partícula elemental que permitiría entender el origen de la masa en el Universo, la cual se conoce en el mundo de la física como bosón de Higgs.

A la par, científicos de otras partes del mundo teorizaron sobre esa partícula y el mecanismo que completaría el modelo estándar de física y abriría nuevos horizontes a esta disciplina: El también británico Tom Kibble, los estadounidenses Gerald Guralnik y Carl R. Hagen; así como los belgas François Englert y Robert Brout.

Las teorías de los padres del mecanismo de Higgs y del bosón de Higgs, que llevaban medio siglo desarrollándose, no pudieron comprobarse hasta la llegada de una obra de la ingeniería que cambió el rumbo de la física para siempre: El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés).

Se trata del mayor acelerador de partículas del mundo, cuya construcción comenzó a planearse en 1984 y terminó en 2008 en el CERN, un famoso laboratorio en el que ya se habían gestado investigaciones que fueron reconocidas con el Premio Nobel de Física: En 1984, los científicos Carlo Rubbia y Simon van de Meer ganaron esta distinción por el descubrimiento de los bosones W y Z; mientras que en 1992, Georges Charpak obtuvo el premio por inventar y desarrollar una “cámara proporcional de multihilos”, que durante las colisiones que generan los aceleradores de partículas le permite a los investigadores filtrar los datos importantes del “ruido”.

¿Y cómo es que estos físicos desarrollaron investigaciones si el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se echó a andar por primera vez en 2008? En realidad, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, en francés Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) se estableció en 1954 y desde entonces operan el laboratorio de física de partículas que a través de los años se ha consolidado como el más grande del mundo.

Ubicado en la frontera entre Suiza y Francia, el CERN fue fundado inicialmente por 12 naciones europeas y actualmente integra a 23 “estados miembros”, 10 “estados miembros asociados”, cuatro “observadores” y más de medio centenar de naciones, entre ellas México, que participan como “estados no miembros”. 

Tras la Segunda Guerra Mundial, que dejó a Europa devastada y con una gran fuga de cerebros, la Organización Europea para la Investigación Nuclear se constituyó para promover la investigación de física de partículas en la región y desde sus inicios, en la segunda mitad del siglo XX, trabajó en el desarrollo de nuevos colisionadores. De acuerdo con el sitio web del CERN, contaron con el Synchrocyclotron y el Gran colisionador de electrones-positrones: primera inyección; sin embargo, ninguno había alcanzado la potencia y complejidad del LHC, que requirió de años de trabajo por parte de miles de ingenieros y científicos. 

Enterrado en un túnel de 27 kilómetros de circunferencia, a una profundidad de más de 100 metros, el LHC realizó sus primeras colisiones el 10 de septiembre de 2008; sin embargo, las pruebas no resultaron exitosas, el 19 de septiembre sufrió averías y se volvió a poner en marcha hasta noviembre de 2009.

Alcanzando una energía de 1,18 TeV, el 20 de noviembre de 2009, el LHC se convirtió en el acelerador de partículas más potente del mundo, superando al Tevatron del laboratorio Fermilab (ubicado en Illinois, EU) que tenía el récord con 0,98 TeV. En 2010, el acelerador fue aumentando su potencia y el 30 de marzo de ese año alcanzó 7 TeV. De ahí en adelante, comenzaron a realizarse mayores experimentos.

El 4 de julio de 2012, el CERN compartió una noticia histórica: tras años de pruebas con el Gran Colisionador de Hadrones ¡se descubrió la existencia del bosón de Higgs! Este hallazgo, cuyo impacto para el campo de la física ha sido comparado con el del ADN para la biología, no habría podido comprobarse sin este avance tecnológico. En 2013, los científicos François Englert y Peter Higgs fueron reconocidos con el Premio Nobel de Física. 

¿Cómo funciona el LHC?

De acuerdo con el sitio web del CERN, “el Gran Colisionador de Hadrones consiste en un anillo de 27 kilómetros de imanes superconductores, que tienen una serie de estructuras aceleradoras para impulsar la energía de las partículas a lo largo del camino”.

“Dentro del acelerador, dos haces de partículas de alta energía viajan a una velocidad cercana a la de la luz antes de chocar y lo hacen en direcciones opuestas en tubos de haz separados: dos tubos mantenidos en ultra alto vacío”. 

“Estos haces son guiados alrededor del anillo del acelerador por un fuerte campo magnético mantenido por electroimanes superconductores, los cuales se construyen a partir de bobinas de cable eléctrico que operan en estado superconductor y hacen más eficiente el paso de la electricidad sin resistencia ni pérdida de energía”.

Para lograr este proceso, en el CERN explican que “se requiere enfriar los imanes a -271,3°C, una temperatura más baja que la del espacio exterior; por lo cual, gran parte del LHC está conectado a un sistema de distribución de helio líquido, que refrigera los imanes y otras partes involucradas en el servicio de suministro”.

Asimismo, mencionan que “se utilizan miles de imanes de diferentes variedades y tamaños para dirigir los rayos del acelerador, los cuales incluyen mil 232 imanes dipolares, de 15 metros de longitud, que doblan los haces, y 392 imanes cuadripolares, cada uno de 5 a 7 metros de largo, que enfocan los haces”.

“Justo antes de la colisión se utiliza otro tipo de imán para ‘apretar’ las partículas y aumentar las posibilidades de colisión; las partículas son tan diminutas que la tarea de hacerlas colisionar es similar a disparar dos agujas a 10 kilómetros de distancia con tal precisión que se encuentran a mitad de camino”, amplía el sitio web del famoso laboratorio de partículas.

Los haces dentro del LHC colisionan en cuatro lugares alrededor del anillo acelerador, los cuales corresponden a las posiciones de cuatro detectores de partículas: ATLAS, CMS, ALICE y LHCb. Adicionalmente, hay otros detectores más pequeños que forman parte de este acelerador: TOTEM, LHCf, MoEDAL-MAPP, FASER y SND@LHC. 

El Gran Colisionador de Hadrones, que pasó a la historia en 2009 al alcanzar una potencia de 1,18 TeV, actualmente registra 13,6 TeV y científicos de todo el mundo trabajan para que pronto alcancen los 14 TeV, una cantidad de energía que permitiría colisiones más fuertes y ofrecería nuevos datos a la comunidad científica.  

¿Sabías que nuestra IBERO es la única institución privada en México que participa en proyectos de investigación con el CERN? 

En el país sólo nueve instituciones participan en cinco investigaciones con el laboratorio de física de partículas más grande del mundo: La Universidad Iberoamericana (UIA), el Instituto de Física de la UNAM, el Instituto de Ciencias de la UNAM, el Centro de Investigaciones y Estudios Avanzados del IPN (Cinvestav), la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), la Universidad de Sonora, la Universidad Autónoma de Sinaloa, la Universidad Autónoma de San Luis Potosí y la Universidad de Guanajuato.

El Departamento de Física y Matemáticas de nuestra universidad participa, desde 2009, en el proyecto CMS (Compact Muon Solenoid), en el cual sólo cuatro instituciones nacionales están involucradas: La IBERO, la BUAP, la Universidad de Sonora y el Cinvestav. El acercamiento con esta investigación fue iniciativa del Dr. Salvador Carrillo Moreno, quien lamentablemente falleció en 2021.
 

La IBERO participa en el proyecto nacional de la “Frontera de la Física de Altas Energías en el CERN”, el cual es financiado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) y cuyos recursos (que fueron otorgados en 2021 y terminarán en 2024) se emplearán para comprar materiales para la construcción de detectores de muones que se ensamblarán en nuestra universidad y posteriormente serán llevados a Suiza para ser instalados en el experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Para hacer frente a este reto, la Universidad Iberoamericana invirtió en la adecuación del “Laboratorio de Física Moderna”, que ahora se llama “Laboratorio de Desarrollo de Detectores de Muones” -   ubicado en el Edificio L, PB, #18 - el cual se encuentra a cargo del Dr. Mateo Ramírez García, y que busca convertirse en un sitio de producción y testeo de detectores RPC, los cuales contribuirán a la colaboración de la universidad con el experimento CMS.

Actualmente, Dalia Lucero Ramírez Guadarrama, una de nuestras estudiantes del Doctorado en Ciencias de la Ingeniería, se encuentra realizando una estancia de año y medio en el CERN, en donde coordina la operación de toma de datos del experimento CMS.

¿Sabías de la participación de nuestra IBERO en proyectos internacionales de ciencia? Si te interesa conocer más, te compartimos que el Departamento de Física y Matemáticas de nuestra universidad dará una Masterclass con charlas sobre “Introducción a la física de partículas” y “El LHC y sus experimentos”; así como talleres de “Manejo de detectores” y “Mediciones de rayos cósmicos”.

Asimismo, nos compartirán cómo es el análisis de datos del experimento CMS. 

Aparta el próximo 10 de marzo, para esta Masterclass que comenzará a las 10:00 am, en el aula García Colín del Edificio L, PB y en la cual pueden participar estudiantes de preparatoria y licenciatura de cualquier institución. Aquí te compartimos el link de registro: https://forms.gle/vAYyhCBhWr6fghj98

Por: Laura Herrera Camarillo

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