Megaciencia: un anillo de 27 kilómetros

Imagina una pequeña ciudad con 12000 habitantes, más o menos el número de personas que viven en Astorga. En una ciudad normal, cada una de esas personas tiene su vida y la mayoría no se cruzarán jamás, pero la ciudad que te pido que imagines es diferente. Por improbable que parezca, sus miles de habitantes trabajan juntos, con un mismo propósito: hacer ciencia. Tal vez sea imaginar demasiado, casi una utopía, pero no nos conformaremos con ello. Ahora imagina que, aunque esas instalaciones cuestan casi 1.000 millones de euros al año, consiguen producir tres euros por cada uno que consumen.

Ya puedes descargar tu imaginación. No hace falta que sigas reteniendo esta fantasía científica en tu mente, porque, aunque no lo creas, ya existe y su nombre es CERN. Pero antes de hablar de lo que es, hablemos de cómo llegó a ser posible.

El mito del lobo solitario

La Segunda Guerra Mundial fue un periodo de revelaciones. La forma en que los estados y las personas veían el mundo cambió para siempre. Las atrocidades de la guerra abrieron paso a nuevos miedos y aprendimos de nuestros errores y de nuestros aciertos. Alemania era un país puntero, en él vivían algunas de las mayores mentes de la historia y, sin embargo, los aliados ganaron la batalla tecnológica. Aunque es controvertido, según algunos expertos esta impredecible victoria no se debe a los presupuestos o a la inteligencia de los científicos a uno y otro lado del tablero. Era algo más sencillo y casi Paulocoelhiano: el trabajo en equipo.

Echando un vistazo a muchos libros de historia de la ciencia veremos que se repite un patrón. Si nos dejamos llevar por ellos veremos que, desde Aristóteles hasta Einstein, las figuras más revolucionarias han brillado en solitario, trabajando aparentemente al margen del resto de la comunidad. No obstante, cuando más sabemos de ellos más desmitificamos la idea del genio solista, pero hay algo que sí parece evidente. Hubo un cambio radical entre la investigación científica antes y después de la Segunda Guerra Mundial. Antes de ella los mayores descubrimientos venían de los individuos, pero al terminar, los protagonistas ya no eran ellos, sino equipos enormes trabajando en grupo. ¿Qué ocurrió durante la guerra para propiciar este cambio?

Los cerebros de Alemania eran buenos, pero, al parecer estaban más anclados en la tradición, trabajan más por libre. Mientras tanto, los aliados se organizaron en equipos como el que descifró el código enigma con el que los Nazis cifraban todos sus mensajes o el proyecto Manhattan, que consiguió diseñar las primeras bombas nucleares. Los avances científico-técnicos más decisivos durante la guerra habían venido de la estrecha colaboración entre muchas personas, no de un puñado de héroes ermitaños. Había nacido la megaciencia.

Más grande, más caro

A medida que hemos ido comprendiendo el mundo, nuestras teorías se han vuelto más complejas y precisas. Rara vez podemos ponerlas a prueba con la facilidad de antaño. Lanzar balas de cañón desde la torre de Pisa no está bien visto y nuestros objetos de estudio se han vuelto más y más abstractos. En otras palabras, para comprobar la validez del conocimiento científico necesitamos crear verdaderas obras de ingeniería. Máquinas sofisticadas capaces de explorar los extremos, observando lo que está muy lejos o lo que es muy pequeño. En resumen: lo sutil.

El problema, como habrás sospechado, es que construir estos instrumentos es de todo menos barato. El presupuesto que cualquier país destina a ciencia es siempre insuficiente allí a donde vayamos, así que tenemos un problema ¿cómo conseguir los fondos? Aquí es donde entra en juego la megaciencia, porque, aunque el presupuesto de un equipo de investigación no alcance para construir el artilugio que necesitan, lo que sí pueden hacer es organizarse. Es probable que otros expertos necesiten construir algo similar y puedan llegar a un acuerdo. De repente cada proyecto ha duplicado virtualmente sus fondos y pueden permitirse construir algo mejor si lo comparten.

Con esta filosofía nació en 1954 el Consejo Europeo de Investigación Nuclear. Hoy en día lo conocemos como Organización Europea de Investigación Nuclear, aunque ha conservado sus siglas originales en francés: CERN. Era el resultado de la colaboración entre 12 países a los que, año tras año, han ido sumándose otros hasta completar los 21 estados miembros que lo constituyen. Ahora es una de las instituciones científicas más mediáticas del mundo, para bien y para mal. Y digo para mal porque, por ejemplo, no faltará quien ponga el grito en el cielo pensando en el presupuesto anual que consume el CERN.

Mil millones de euros son una verdadera fortuna, por mucho que haya sido recaudado entre una veintena de países. A no ser, claro, que lo comparemos con el presupuesto militar de España, que en los últimos veinte años no ha bajado de los 7.000 millones anuales, o los más de 200 millones de euros anuales que la Iglesia Católica recibe en España a través del IRPF. De repente, los 80 millones que aportamos cada año a uno de los proyectos científicos más relevantes de la humanidad parecen calderilla. En cualquier caso, sea insuficiente o demasiado, ¿qué se estudia en el CERN?

De la megaciencia al estudio de lo minúsculo

Al fundarse, la intención del CERN era estudiar el núcleo atómico, esa pequeña parte en el interior de cada átomo formada por neutrones y protones. Junto con los electrones, neutrones y protones eran los constituyentes más básicos de la materia, al menos según lo que se pensaba por aquel entonces. Fue unos años después cuando los físicos comenzaron a sospechar que los protones y neutrones tenían que estar constituidos a su vez por algo todavía más pequeño a lo que llamaron, inicialmente, “partones”.

No fue fácil aceptarlo, pero pronto otras partículas se fueron sumando a estos partones, ahora llamados “quarks”. A principios de los 70 aquel zoo de partículas subatómicas fue organizado en un modelo tratando de explicarlas a todas: el modelo estándar de la física de partículas. Algunos lo comparan con la tabla periódica, permitiéndonos ordenar las partículas más básicas conocidas en “familias”: quarks, leptones o bosones en función de sus propiedades. Sin embargo, el modelo estándar va mucho más allá y con él podemos hacer predicciones finísimas del mundo que nos rodea. No obstante, está lejos de ser perfecto, a pesar de su valía parece tener algunos huecos que han de ser explorados y para ello hacen falta instrumentos muy, muy grandes.

Bajo esta premisa, el CERN evolucionó hasta centrarse en la física de altas energías para estudiar las partículas subatómicas. Para estudiar el mundo subatómico podemos hacer que dos partículas choquen a velocidades cercanas a la de la luz. Normalmente se dice que, de este modo, las partículas se “rompen” liberando aquellas cosas de las que están compuestas, pero la realidad es mucho más compleja. Cuando dos protones chocan no liberan solo quarks. Para simplificarlo en un incómodo punto medio podríamos decir que la forma en que la energía que liberan esos protones en el choque es transmitida al “entorno”, permitiendo así la manifestación de otras subpartículas. La realidad tampoco es así, pero en el peor de los casos nos ayuda a hacernos una idea de lo contraintuitivos que son estos conceptos y lo fácil que es malinterpretarlos.

El gran colisionador de hadrones

Para poner a prueba el modelo, algunos equipos de investigación repartidos por todo el mundo comenzaron a construir aceleradores de partículas. Tubos dentro de los cuales se disparaban partículas que eran aceleradas tanto como fuera posible antes de hacerlas chocar. Cuanto más grande el acelerador, más rápido podían viajar y así empezó la carrera. Poco a poco fueron mejorándose hasta que en 1998 comenzó a construirse en el CERN el gran colisionador de hadrones, más conocido como el LHC.

El LHC es una obra de ingeniería, pero antes de que los protones lleguen a él tienen que recorrer un largo viaje. Todo comienza con un acelerador lineal, un tubo recto donde los protones comienzan a moverse. Para atravesarlo, las partículas tienen que recorrer secciones con sus propios campos eléctricos que van cambiando su polaridad a medida que avanza el protón. Las secciones que hay frente a la partícula son negativas y lo atraen, pero según las deja atrás se vuelven positivas, empujándolo. Cuando llegan al final del acelerador lineal ya tienen la velocidad suficiente como para ser inyectados en otro tubo, esta vez con forma de anillo. Enormes imanes curvan la trayectoria de los protones y los mantienen bien agrupados en el centro del tubo. Los protones se siguen acelerando gracias a campos eléctricos, y aunque los imanes les permiten girar, cuando más rápido van más “cuesta” que tomen curvas tan cerradas así que es hora de abrir la curva e inyectarlos en un anillo más grande.

Como si fuera la pescadilla que se muerde la cola, este segundo anillo vuelve a acelerarlos tanto como puede, inyectándolos en otro circuito más grande que repetirá la estrategia por última vez, antes que los protones pasen al fin al LHC. Se trata de un anillo de 27 kilómetros de perímetro y en él, por primera vez en todo el recorrido, parte de los protones viajarán en la dirección contraria. Una vez dado el último acelerón, el cometido de los científicos es hacer que estos dos haces de protones choquen uno contra el otro, pero no en cualquier parte del anillo. La colisión ha de ocurrir en ciertos lugares concretos donde están situados los detectores, enormes máquinas capaces de medir el resultado del impacto.

En cualquier caso, la teoría que emanaba del modelo estándar predecía que, si todo era correcto y para que el modelo sea coherente, tendrían que ocurrir determinadas cosas en el mundo real. Una de ellas sería, por ejemplo, que se cumpliera era la existencia de la partícula bosónica más famosa de la física cuántica: el bosón de Higgs.

La partícula de Higgs

En teoría cuántica de campos, las fuerzas se entienden como campos. Para hacernos una idea, imaginemos que medimos la temperatura que hay en cada punto de nuestra habitación, con ello podemos hacer un “mapa” con el valor que toma una propiedad de la materia en cada lugar del espacio. Un campo es algo así y a veces, cuando estos campos se “excitan”, de ellos pueden surgir partículas llamadas bosones. Por ejemplo, en el caso del campo electromagnético su excitación manifiesta un fotón. Pues bien, para el modelo estándar de la física cuántica ,la masa de una partícula dependería, en parte, de cómo interacciona esta con un campo concreto, el campo de Higgs. Partiendo de esto, las predicciones de los físicos suponían que, al colisionar dos partículas con suficiente energía, parte de esta energía podía excitar el campo de Higgs manifestando su partícula, el bosón de Higgs.

El 4 de julio de 2012 los detectores ATLAS y CMS midieron a la vez datos de una colisión compatibles con el esquivo bosón, aportando una nueva prueba de la validez del modelo estándar y solidificando nuestros conocimientos sobre qué forma el mundo que nos rodea. No obstante, el CERN es mucho más que su descubrimiento estrella.

Antimateria, sistemas de riego y aviones más seguros

Al contrario de lo que muchas voces críticas parecen creer, en el CERN se llevan a cabo una enorme cantidad de proyectos que van mucho más allá del Bosón de Higgs. El LHC sigue siendo útil y permite acumular información relevante sobre el modelo estándar, pero hay vida más allá del descomunal anillo. Toda esta ciencia básica aparentemente inservible ayuda a construir los cimientos sobre los que erigir tecnologías de última generación que han cambiado el mundo y la sociedad hasta hacerla irreconocible.

Por ejemplo, fue en el CERN donde se inventó la web, la forma mediante la que nos enviamos información a través de Internet (que no es lo mismo, y fue un invento independiente y previo). Lo que no se habla tanto es que el CERN es el único lugar en el mundo donde se producen cantidades suficientemente grandes de antimateria como para ser estudiada. Se trata de una producción totalmente controlada y deliberada, pero, por si “Ángeles y demonios” ha asustado a alguien, es importante decir que en la mayoría de los hospitales también se produce antimateria con total normalidad y sin causar problema alguno. Esta exótica sustancia es el fundamento de algunas de las pruebas de imágenes más famosas, como la tomografía por emisión de positrones (PET) que permite diagnosticar desde tumores hasta estudiar enfermedades neurodegenerativas. Sin el CERN, las aplicaciones sanitarias de la antimaterial no estarían donde están hoy.

Por si caben dudas del impacto social del CERN, sus contribuciones a la sanidad no se quedan aquí. Entre sus proyectos, algunos contribuyen al desarrollo de una tecnología llamada hadronterapia. Un tratamiento contra determinados cánceres que funciona de forma similar a la radioterapia, pero con la ventaja de apenas dañar a los tejidos sanos, reduciendo muchísimo sus efectos secundarios. Solo con esto queda bastante claro cómo puede ser que por cada euro dado al CERN se obtengan tres, y es que la inversión en ciencia básica, antes o después, retorna en la sociedad. Sin embargo, hay muchísimos proyectos más, que van desde desarrollar sistemas de riego que ayuden a ahorrar agua en países con sequías, hasta formas de reducir el número de accidentes aéreos.

Es cierto que el CERN no es perfecto, pero por lo que han conseguido hasta ahora, lo que son y lo que representan parecen una institución ficticia sacada de una utópica novela de ciencia ficción. Contra todo pronóstico, tenemos la suerte de que el CERN es real. Hay CERN más allá del Bosón de Higgs, sus proyectos y objetivos siguen vivos, pero ¿por cuánto tiempo? La respuesta es: tanto como lo permita su ajustado presupuesto.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Ni el bosón de Higgs ni su campo dan masa a las partículas. El campo de Higgs contribuye a la masa, pero no es lo único que la determina.
• Internet no nació en el CERN, lo hizo la web como sistema para compartir información a través de Internet.
• El CERN no es peligroso y tampoco producirá un agujero negro que devore al planeta.
• El CERN existe, no es una conspiración ni está regentada por una secta satánica, no creas todo lo que lees en las redes. De hecho, el CERN es una institución especialmente transparente y recibe anualmente a 250 mil visitantes de los cuales ninguno ha presenciado nada que apoye las teorías de la conspiración.

REFERENCIAS:

• Aad, G. et al. “Observation Of A New Particle In The Search For The Standard Model Higgs Boson With The ATLAS Detector At The LHC”. Physics Letters B, vol 716, no. 1, 2012, pp. 1-29. Elsevier BV, doi:10.1016/j.physletb.2012.08.020. Accessed 4 Mar 2020.
• “Megascience”. Vol 18, no. 4, 2016, pp. 355-356. Springer Science And Business Media LLC, doi:10.1007/s00016-016-0193-0. Accessed 4 Mar 2020.
• “Home | CERN”. Home.Cern, 2020