Setenta años del CERN en Suiza

Desde 1954, científicos de todo el mundo han pasado por el CERN en Ginebra para estudiar aspectos sobre la física fundamental. Esta organización internacional, compuesta de 23 Estados miembros, principalmente europeos, tiene la misión de entender cómo se comporta la materia a un nivel más básico. Para ello, los científicos investigan todo aquello relacionado con las partículas fundamentales.

El CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear o Laboratorio Europeo de Física de Partículas) está compuesto por un complejo interconectado de aceleradores de partículas y detectores repartidos en un área de unas 600 hectáreas en la región fronteriza franco-suiza próxima a Ginebra.

Los aceleradores son dispositivos que emplean campos electromagnéticos para impulsar y guiar haces de partículas a altas energías. Los aceleradores tienen una gran diversidad de aplicaciones. Algunos de ellos usan colisiones de partículas a altas energías para tratar de dar respuesta a preguntas fundamentales sobre el funcionamiento del universo. Para observar y registrar los resultados de estas colisiones se utilizan detectores de partículas.

El acelerador más conocido es el Gran Colisionador de Hadrones o LHC. El LHC es el accelerador de particulas más potente de mundo. Acelera partículas a 99.9999991% de la velocidad de la luz y a una energía de colision de 13.6 TeV y cuenta con cuatro detectores. Enrique Blanco, ingeniero leonés y jefe adjunto de control industrial del CERN, explica que este dispositivo se erige como la «punta de lanza» de las investigaciones llevadas a cabo en el complejo, al producir energías más elevadas y constituir el epicentro de la exploración de nuevas fronteras en la física.

Los principales detectores, ATLAS y CMS, tienen como objetivo investigar las partículas básicas y las interacciones descritas por el Modelo Estándar, además de buscar nuevas partículas que vayan más allá de este marco teórico, como el Bosón de Higgs y posibles partículas de materia oscura. Por otro lado, ALICE y LHCb están dedicados a la exploración de condiciones extremas y fenómenos poco comunes.

«Nuestra meta es proporcionar las máquinas para que se produzcan las colisiones de partículas. Cada detector tiene sus propios experimentos», añade.

Estas tecnologías desarrolladas por el CERN no solo han sido utilizadas en sus propias investigaciones, sino que en ocasiones han dado origen a empresas externas, conocidas como ‘spin-offs’, que se han desarrollado a partir de los avances realizados en esta institución. En otros casos, tecnología del CERN se utiliza en otros centros de investigación como el ITER, la agencia espacial europea (ESA) o en otro tipo de industrias.

El Bosón de Higgs

Uno de los descubrimientos más importantes se produjo en el 2012 cuando el CERN pudo constatar la existencia del Bosón de Higgs, una teoría desarrollada hace más de 50 años, pero cuya demostración no se puedo realizar hasta dicho año.

Una teoría que como explica Borja Fernández, científico procedente de la Bañeza y también ingeniero del grupo de control industrial del CERN, intentaba dar explicación a «como las partículas adquieren masa y hay algunas más pesadas que otras». «Él describió el Bosón de Higgs y el campo de Higgs, un campo que existe en todo el universo y cómo interaccionan las partículas con ese campo explica como adquieren una cierta masa», detalla el bañezano.

«Para entenderlo, se puede coger el ejemplo, que usan muchos cientificos para explicar el campo de Higgs, de una piscina llena de agua. Podemos ver a la piscina como nuestro universo y el agua como el campo de Higgs. Todo objeto que avanza en el agua se encuentra con una resistencia. Ese el mecanismo que les da la masa a los objetos. Los objetos más pesados (con más masa) les cuesta más avanzar en la piscina que a los menos pesados (interaccionan más con el campo de Higgs). Con las partículas ocurre igual. Por ejemplo, un quark es una partícula pesada ya que interacciona mucho con el campo de Higgs (encuentra mucha resistencia). Sin embargo, otras partículas no encuentran ninguna (como los fotones de la luz)», agrega.

Para poder probar la existencia del Bosón de Higgs, se recogieron datos de las colisiones de protones en el LHC, se analizaron los resultados de los datos recogidos por los detectores ATLAS y CMS, se procesaron y contrastaron con las teorías para demostrar la existencia del Boson de Higgs. «En 2012, le dieron la razón a Robert Brout, François Englert y Peter Higgs», puntualiza el leonés.

Aunque a simple vista pudiera parecer complicado determinar la importancia de este descubrimiento, su impacto fue fundamental, puesto que validaba la forma de comprender la física tal y como se venía haciendo.

«Este descubrimiento da validez (por el momento) al modelo estándar, una teoría que explica que la materia que está compuesta de partículas y de fuerzas. Ese modelo es una de las teorías que mejor explican el universo a día de hoy. Si no se hubiera encontrado el Bosón de Higgs, podría pensarse que habría un fallo, por lo que habría que pensar en la física de forma diferente. El descubrimiento del Bosón de Higgs da validez (a día de hoy) al modelo estándar. Los avances científicos en física pasan por corroborar las teorías con resultados experimentales. Al final, la física es estadística», apunta Blanco.

«Cuando Newton presentó la Ley de gravitación universal, lo que hizo fue describir cómo se comportan los cuerpos con la fuerza de la gravedad en la naturaleza. Muchos años después gracias a eso podemos aplicar sus fórmulas y tenemos aviones y se han podido desarrollar numerosos inventos. Esto es investigación fundamental. Es difícil pronosticar para qué nos servirá en el futuro, pero a día de hoy nos ayuda a entender cómo funcionan las cosas», recalca Fernández.

La antimateria

Además del Bosón de Higgs, todavía quedan numerosas incógnitas por resolver. Una de ellas se encuentra relacionada con la antimateria.

«La antimateria es un tipo de partículas que son muy similares a la materia, pero tienen la carga opuesta. Por ejemplo, un electrón es una partícula de materia y su partícula de antimateria equivalente es el positrón. En teoría, tienen propiedades muy similares, salvo que el positrón tiene carga positiva. La clave de la antimateria es que si se pone en contacto con la materia se desintegran las dos y libera una cantidad de energía muy grande. Por eso no se ve. Básicamente, si en un acelerador eres capaz de generar un positrón, cuando tocara algo de materia como un electrón, se desintegraría. Alpha es un experimento que trata de investigar la antimateria. La idea es capturar átomos de antihidrógeno y ver cómo se comportan, por ejemplo cómo les afecta la gravedad. La antimateria no se encuentra por ningún lado y, por tanto, no se sabe cómo se comporta» recalca Fernández.

Alpha pudo demostrar los efectos de la gravedad en los átomos de antihidrógeno.

«Nosotros (cuerpos formados por partículas de materia) nos sentimos empujados hacia la tierra por el efecto de la gravedad, pero no sabíamos cómo se comporta la antimateria. Al final, el experimento demostró que la materia y la antimateria se comportan de la misma manera en campos gravitatorios. No obstante, a día de hoy es muy costoso capturarla y manejarla. Si la antimateria se desintegra, podrías pensar en ella como una fuente de energía ilimitada», agrega el ingeniero de La Bañeza.

Asimismo, otro de los experimentos relacionados con la antimateria es AMS, un detector de antimateria que se desarrolló en el CERN y se encuentra en la Estación Espacial Internacional que orbita la tierra para tratar de capturar datos y obtener una explicación sobre por qué no se pueden observar estas partículas.

Otros experimentos

Además de la materia, el CERN estudia otras cuestiones físicas como el clima. Enrique Blanco detalla que «existe una teoría que apunta que los rayos cósmicos afectan a la forma en que las nubes se forman, por lo que tienen una gran influencia en el clima».

«El experimento Cloud intenta simular esas condiciones y las reproduce para estudiar el clima», narra el leonés.

En la investigación llevada a cabo en el CERN, una parte significativa se enfoca en desarrollar sistemas mejorados para aumentar la eficacia de sus tecnologías, por ejemplo nuevas técnicas de aceleración de partículas.

Precisamente, el experimento Awake busca investigar la viabilidad de utilizar un plasma confinado para acelerar haces de partículas con el fin de producir energías más altas de manera más eficiente y compacta que los métodos actuales. En esta tecnología, se introduce un plasma confinado y se hace pasar un haz de electrones para generar una onda de plasma. «La novedad es que esas pequeñas olas que hacen los electrones necesitan muy poca distancia. Entonces, se consigue reducir el tamaño del acelerador lineal. Eso sería un gran avance», explica Blanco.

Al final, la mejora de esta tecnología no solo supone una forma más eficiente de acelerar las partículas, sino también de manera más económica.

Próximos avances

Es difícil saber cuál podría ser el siguiente gran descubrimiento. Una de las mayores preocupaciones actuales de los físicos tiene que ver con la materia oscura y la energía oscura.

«Los astrónomos miran al cielo y por el movimiento de las estrellas y galaxias saben que además de las galaxias podemos observar que hay algo más, que lo denominan materia oscura. No sé sabe lo qué es. La luz (los fotones) no interactúan con ellos, no los podemos observar y medir, pero hay algo ahí. Hay modelos teóricos que tratan de explicar eso. En el LHC, buscan encontrar ciertas partículas que quizás podrían explicar de qué está formada la materia oscura, como la teoría de supersimetría», detalla Borja Fernández.

Asimismo, existen otros conceptos que continúan siendo un quebradero de cabeza para los científicos. En este sentido, Fernández recuerda que «el Modelo Estándar funciona como un mapa donde tienes todos los elementos fundamentales y faltan piezas por descifrar como la gravedad».

«Hay cuatro fuerzas fundamentales en el universo: la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte, la electromagnética y la gravedad. Ha habido descubrimientos acerca de tres de ellas y también sus partículas asociadas como los bosones w y z relacionados con la energía nuclear débil. Fueron descubiertos en el CERN en el año 1983. Sobre la gravedad no se ha descubierto nada. Hay teorías que sugieren la existencia de una partícula, denominada gravitón, pero nunca se ha visto nada», avanza el ingeniero.

El funcionamiento del CERN

El CERN, que cumple 70 años de funcionamiento este 2024, nació con el propósito de otorgar a Europa de una instalación dedicada a investigar en el campo de la fisica de partículas.

El instituto cuenta con el ‘CERN Council’, la máxima autoridad de la organización que tiene la responsabilidad de tomar las decisiones importantes. Controla las actividades en materia científica, técnica y administrativa. Este se encuentra asistido por el Comité de Política Científica y el Comité de Finanzas.

Actualmente, 23 Estados miembros componen la organización y cuentan con dos delegados oficiales en el Consejo. Uno representa la administración de su gobierno y otro los intereses científicos nacionales. Cada país cuenta con un presupuesto dedicado al CERN dependiendo de su Producto Interior Bruto.

Los Estados miembro tiene un voto único y la mayoría de las decisiones requieren una mayoría simple, aunque se suele aspirar en el Consejo a lograr un consenso lo más cercano posible a la unanimidad. Para validar las decisiones, Europa cuenta con la ‘European Strategy for Particle Physics’, un organismo formado por expertos europeos que aconseja en materia de física. Esto permite una validación científica en la toma de decisiones.

La trascendencia del CERN

Las tecnologías impulsadas y desarrolladas en el CERN han podido aplicarse en muchos casos a campos más allá de la física. Desde la ciencia de los materiales hasta la informática, la investigación en física de partículas requiere el uso de tecnologías avanzadas para su operación.

Uno de los campos que se ha beneficiado de los avances en el CERN es el diagnóstico médico. Los detectores creados por Georges Charpak en 1968 han permitido obtener imágenes de rayos X utilizando una fracción de la dosis requerida por los métodos fotográficos. Asimismo, los cristales desarrollados en los 80 para experimentos del CERN han sido claves en los escáneres PET. El CERN fue pionero en el desarrollo de la World Wide Web (ww) en la década de 1990, que tuvo un impacto enorme en la forma en que se comparte la información y se colabora en todo el mundo.

El CERN colabora estrechamente con los responsables políticos, especialmente de los Estados miembros y asociados, para avanzar en su misión. En términos generales, las actividades del CERN y sus innovaciones han tenido un impacto global, impulsando el desarrollo de tecnologías más eficientes, promoviendo la eficiencia industrial y contribuyendo a la preservación del patrimonio cultural a través de proyectos de restauración artística.

Un trabajo por la paz

Desde sus inicios, este centro ha estado abierto a las comunidades de científicos de todas las naciones sin importar su origen o barreras políticas. Ejemplo de ello fue la colaboración en este espacio de científicos de la Unión Soviética y estadounidenses durante la Guerra Fría.

Hoy en día esta institución acoge a investigadores de todas las regiones del mundo para unirse bajo el propósito de hacer ciencia por y para la humanidad.

Uno de sus preceptos fundamentales es no emplear ninguna tecnología para usos militares, un mandato que establecen en la convención del CERN: «La Organización no se ocupará del trabajo para necesidades militares y los resultados de su trabajo experimental y teórico se publicarán o se pondrán de otro modo a disposición del público».

Para Enrique Blanco, este mandato supone «poder trabajar sin ninguna restricción política o militar».

«El hecho de que personas de diferentes culturas y países tengan una meta común que es la ciencia es una forma de poder unificar. Las guerras son consecuencia de que dos países tienen una forma distinta de ver las cosas. Si trabajan juntos, eso no pasa. Es un poco la filosofía del CERN. Poder investigar juntos y compartirlas con el mundo», concluye el leonés Enrique Blanco.

Un mundo de posibilidades

Para todos aquellos que quieran conocer más de cerca la actividad del CERN o incluso, hacer prácticas y trabajar, existen programas específicos, donde el instituto abre sus puertas.

Los estudiantes de colegio e instituto pueden visitar este centro. Los profesores pueden programar un viaje al centro mediante la reservar la visita con varios meses de antelación a través de la web del CERN. Asimismo, existe una competición de física para estudiantes de instituto, ‘Beamline for school competition’. En caso de clasificarse, los costes serán cubiertos por el CERN. El ‘Solvay Camp’ es un campamento residencial para estudiantes de secundaria mayores de 16 años que sienten curiosidad por el CERN y quieren aprender más sobre la investigación fundamental en física de partículas. También existe el ‘shadow a scientist’, donde pueden acompañar durante una semana a uno de los trabajadores del CERN, si bien los costes no están cubiertos. Por otro lado, también hay programas específicos para profesores de instituto que se pueden consultar en su web.

En cuanto al empleo, el CERN publica numerosas ofertas para estudiantes y doctorandos. Es destacable los programas para realizar prácticas de verano para estudiantes de grado y master y para recién graduados. Si es un profesional con más años de experiencia, este centro también ofrece oportunidades específicas para este tipo de perfiles.