DESCUBRIMIENTOS Y LOGROS DE LA FISICA CUÁNTICA

E.M.T. ,  psicólogo.

La aparición del colisionador de partículas supuso para el mundo una serie de descubrimientos y logros que, con una cada vez más acelerada velocidad, fue permeando la vida humana.

En este sentido, es posible establecer dos tipos de transformaciones que han significado nuevos descubrimientos y logros a partir del funcionamiento del colisionador de partículas, a saber; avances desde el ámbito instrumental y tecnológico, por un lado, y avances desde el ámbito teórico, por el otro.

Ámbito instrumental y tecnológico

En general puede afirmarse que, como generalmente ocurre en el mundo científico, la simple búsqueda de conocimiento acarrea una serie de avances colaterales o inesperados, tanto en lo relativo a los descubrimientos a los que tales investigaciones conducen, como respecto a la necesidad de ir generando progresivamente un mejor instrumental que permita desarrollar y perfeccionar la investigación efectuada.

En lo que respecta al colisionador de partículas, esto no deja de ser así. De este modo, los instrumentos desarrollados se han caracterizado por, progresivamente, haber ido posibilitando grandes avances en el control del caos y mayores niveles de eficiencia en el flujo de partículas.

Hoy en día, si bien se tiende a relacionar el acelerador de partículas casi exclusivamente con el estudio de los fenómenos físicos por parte del mundo científico, la mayor parte de los aceleradores existentes en nuestro planeta son utilizados para aplicaciones industriales o médicas y solo un porcentaje menor son usados para la exploración científica en el área de la física.

De hecho, una gran diferencia entre los primeros y los segundos es que estos requieren, para su funcionamiento, de energías mucho mayores; por ejemplo, como ya se ha visto, el Gran Colisionador de Hadrones precisa una energía de 14 TeV (Tera electronVoltios, donde 1 Tera electronVoltios = 1.000.000.000.000 de electronVoltios), lo que desde ya permite advertir lo lógico que resulta que existan pocos grandes aceleradores; a saber, cerca de solo una docena en el mundo y todos en el hemisferio norte, entre ellos: Kamioka (Japón), SNO (Canadá), Canfranc (España) y Gran Sasso (Italia).

De todas formas, a partir de la experticia alcanzada, ha sido posible desarrollar aceleradores cada vez más pequeños, los que permiten diferentes usos: en medicina, tanto para realizar estudios por imágenes o para la fabricación de radiofármacos, utilizados para el diagnóstico y el tratamiento de algunas patologías, como los tumores; en la industria, para la esterilización de alimentos, la inspección de cargas o en ingeniería electrónica, como los chips usados en computación y telefonía; y en otras cada vez más variadas y extensas aplicaciones, como en la prospección de petróleo, el estudio de materiales, investigaciones arqueológicas, el estudio de obras de arte, fabricación de maquillaje, o, para utilizar un ejemplo muy concreto, en la industria automotriz, donde la forma más eficiente de analizar el grado de homogeneidad que se presenta en la densidad del material con que están confeccionados los frenos es precisamente mediante la radiación generada por aceleradores.

En este sentido, algunos aceleradores pueden ser utilizados en dos modos: en base al uso de haces de partículas (electrones), o en base a fotones.

Se recurre al primero de los modos para su empleo, por ejemplo, en procesos industriales, tratamiento de aguas residuales, polimerización, además de la esterilización de alimentos y diversos materiales.

En tanto el segundo modo se emplea notablemente para la radioterapia, un tipo de tratamiento dirigido a patologías como el cáncer y que se fundamenta en la aplicación de radiaciones ionizantes. De igual modo, puede ser empleado tanto para calibrar detectores de partículas como para aplicaciones en cristalografía y espectroscopía, técnica que usa la radiación para analizar la estructura y propiedades de la materia.

Ahora bien, si bien es cierto que los países del hemisferio norte llevan la delantera en la investigación y fabricación de este tipo de instrumentos, en Latinoamérica se han dado algunos pasos en tal sentido. En particular en México, que si bien está en el hemisferio norte, presenta muchas más similitudes con el resto de América Latina; no obstante, ya cuenta con aceleradores de partículas desde hace varios años y hoy en día se encuentra desarrollando un acelerador confeccionado completamente por científicos y técnicos de ese país.

Respecto a Chile, en junio del año 2007 en Suiza, en el marco de una gira presidencial, se firmó un convenio entre el CERN y CONICYT posibilitando la colaboración de científicos chilenos en las actividades del CERN. Es así como actualmente investigadores de la Universidad Católica y de la Universidad Técnica Federico Santa María están trabajando en varias áreas relacionadas con la física y el procesamiento de datos.

No obstante, si bien no se trata de un acelerador de partículas, existe otra arista relativa a la física cuántica que se está desarrollando por científicos de Chile, en conjunto con sus pares de Argentina, Brasil y México; es el llamado proyecto A.N.D.E.S. (Agua Negra Deep Experiment Site), el cual recibe su nombre del futuro túnel Agua Negra, parte del llamado corredor bioceánico que unirá la provincia chilena de Coquimbo con la provincia argentina de San Juan.

Pues bien, paralelamente a la construcción de dicha obra, se realizará dentro de los próximos 20 años otra a más de 1.750 metros de profundidad, para implementar lo que será uno de los más profundos laboratorios subterráneos del mundo, lo que le convierte en un lugar de privilegio para el estudio de los neutrinos, los cuales son altamente sensibles y prácticamente impesquizables en la superficie de la tierra por el constante bombardeo de partículas subatómicas provenientes del espacio exterior.

Ámbito teórico

Hawking escribe en 1988 su célebre Historia del Tiempo, donde señala: “Hasta hace 20 años, se creía que los protones y los neutrones eran partículas ‘elementales’; pero experimentos en los que colisionaban protones con otros protones (…) indicaron que, en realidad, estaban formados por partículas más pequeñas. Estas partículas fueron llamadas quarks por el físico de Caltech, Murray Gell-Mann”.

De esta manera, es posible describir el trascendental aporte que ha significado la incorporación de los aceleradores de partículas al conocimiento de la ciencia de nuestro tiempo. Tal como el descubrimiento del  bosón de Higgs en los inicios de esta década.

Hoy en día, entre otros, gracias a los descubrimientos surgidos desde la experimentación en aceleradores de partículas, se sabe que, hace 13.700 millones de años, el naciente universo consistía en una mezcla de partículas elementales, tales como electrones, neutrinos y quarks, derivando en un instante en la aparición de dos de las que hoy se conocen como  las “cuatro fuerzas fundamentales del universo”, a saber: la llamada “fuerza nuclear fuerte”, que genera que protones y neutrones se mantengan unidos en el núcleo atómico; y la denominada “fuerza nuclear débil”, que hace que algunos elementos sean radioactivos.

De esta manera, ahora sabemos que menos de una millonésima de segundo tras el Big-Bang, se unieron tres quarks para formar los primeros protones y neutrones de los elementos más simples del universo: el hidrógeno y el helio.

Así, el universo, conformado solo de núcleos de hidrógeno y helio, siguió expandiéndose y enfriándose hasta que, ya al pasar un millón de años después de ocurrido el Big-Bang, hace su aparición la tercera fuerza fundamental: la “fuerza electromagnética”, que provocó que los núcleos atómicos que existían, de carga eléctrica positiva, atrajeran a los elementos de carga eléctrica negativa: los electrones, para generar así los primeros átomos de hidrógeno y helio, con lo cual el universo dejó de ser una gran nube de radiación, para parecerse más al mundo tal como lo conocemos actualmente.

Es decir, “la energía condensándose en el éter por una serie de etapas, que la ciencia comienza a presentir, ha engendrado el átomo”.

Finalmente, más adelante vendrá la aparición de la cuarta fuerza fundamental, la “fuerza gravitacional”, provocando la atracción entre los cuerpos con masa en el espacio. Al respecto puede consignarse que “el universo es como es debido a que son éstas, y no otras, las fuerzas que imperan en él”.

En cualquier caso, todo esto son solo inferencias teóricas, basadas eso sí en su validación en experimentos u observaciones que determinarán lo errado o acertado de tales teorías.

Para ello es vital la creación y adelantos efectuados en los aceleradores de partículas. Por esto se entiende la obtención del Nobel de física en 2013 de Peter Higgs, quien había postulado la existencia del bosón de Higgs en 1964, el cual, como ya se ha visto, consiste en una partícula elemental que explica el origen de la masa de las partículas elementales.

De esta manera, la posibilidad que entregó el Acelerador de Hadrones de CERN en 2013 de detectar la efectiva existencia del bosón de Higgs, otorgó validez a la teoría estándar de partículas.

En el mundo contemporáneo, en que se han logrado impensados avances en el conocimiento, mientras más sabemos, más conscientes estamos de lo poco que sabemos.

Tan sólo en la física, como piedras en el zapato, permanecen allí factores tales como ese particular elemento que no se comporta como energía ni como materia llamado “energía oscura” y que sería el culpable de la expansión del Universo. Asimismo, allí permanece incólume la increíble y por ahora insuperable paradoja en que se cae al estar trabajando al unísono con dos teorías, ambas originadas en la creativa mente de Albert Einstein, pero ambas incompatibles entre sí: la Relatividad General y la Mecánica Cuántica.

Pues bien, los aceleradores de partículas ya han entregado aproximaciones y probablemente seguirán haciéndolo.