El LHC crea materia directamente de la luz

Ilustración relacionada con la investigación - SANDBOX STUDIO, CHICAGO

   MADRID, 3 Sep. (EUROPA PRESS) -

   El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha creado materia de la luz, saltando la conversión de materia en energía y haciendo chocar partículas con la energía pura, en forma de ondas electromagnéticas.

   El año pasado, el experimento ATLAS en el LHC observó dos fotones, partículas de luz, rebotando entre sí y produciendo dos nuevos fotones. Este año, llevaron esa investigación un paso más allá y descubrieron que los fotones se fusionan y se transforman en algo aún más interesante: los bosones W, partículas que transportan la fuerza débil, que gobierna la desintegración nuclear.

   Esta investigación no solo ilustra el concepto central que rige los procesos dentro del LHC: que la energía y la materia son dos caras de la misma moneda. También confirma que a energías suficientemente altas, las fuerzas que parecen estar separadas en nuestra vida cotidiana, el electromagnetismo y la fuerza débil, están unidas.

   Si intenta replicar este experimento de colisión de fotones en casa cruzando los rayos de dos punteros láser, no podrá crear nuevas partículas masivas. En cambio, verá que los dos haces se combinan para formar un haz de luz aún más brillante, explica el LHC en un comunicado.

   "Si regresa y observa las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo clásico, verá que dos ondas en colisión suman una onda más grande", dice Simone Pagan Griso, investigadora del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE.UU. "Solo vemos estos dos fenómenos observados recientemente por ATLAS cuando juntamos las ecuaciones de Maxwell con la relatividad especial y la mecánica cuántica en la llamada teoría de la electrodinámica cuántica".

   Dentro del complejo de aceleradores del CERN, los protones se aceleran cerca de la velocidad de la luz. Sus formas normalmente redondeadas se aplastan a lo largo de la dirección del movimiento cuando la relatividad especial reemplaza las leyes clásicas del movimiento para los procesos que tienen lugar en el LHC. Los dos protones entrantes se ven como panqueques comprimidos acompañados de un campo electromagnético igualmente comprimido (los protones están cargados y todas las partículas cargadas tienen un campo electromagnético). La energía del LHC combinada con la contracción de la longitud aumenta la fuerza de los campos electromagnéticos de los protones en un factor de 7.500.

   Cuando dos protones se rozan, sus campos electromagnéticos aplastados se cruzan. Estos campos se saltan la etiqueta clásica de "amplificación" que se aplica a bajas energías y en su lugar siguen las reglas descritas por la electrodinámica cuántica. A través de estas nuevas leyes, los dos campos pueden fusionarse y convertirse en la "E" en E = mc2, la famosa ecuación de Einstein.

   "Si lee la ecuación E = mc2 de derecha a izquierda, verá que una pequeña cantidad de masa produce una gran cantidad de energía debido a la constante c al cuadrado, que es la velocidad de la luz al cuadrado", dice Alessandro Tricoli, un investigador del Laboratorio Nacional de Brookhaven, la sede en EE.UU. del experimento ATLAS. "Pero si miras la fórmula al revés, verás que necesitas comenzar con una gran cantidad de energía para producir incluso una pequeña cantidad de masa".

   El LHC es uno de los pocos lugares en la Tierra que puede producir y colisionar fotones energéticos, y es el único lugar donde los científicos han visto dos fotones energéticos fusionándose y transformándose en bosones W masivos.

   La generación de bosones W a partir de fotones de alta energía ejemplifica el descubrimiento que le valió a Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg el Premio Nobel de Física en 1979: a altas energías, el electromagnetismo y la fuerza débil son lo mismo.

   La electricidad y el magnetismo a menudo se sienten como fuerzas separadas. Normalmente, uno no se preocupa por recibir una descarga eléctrica al manipular un imán de refrigerador. Y las bombillas, incluso cuando están encendidas con electricidad, no se pegan a la puerta del refrigerador. Entonces, ¿por qué las estaciones eléctricas tienen letreros que advierten sobre sus altos campos magnéticos?

   "Un imán es una manifestación del electromagnetismo y la electricidad es otra", dice Tricoli. "Pero son todas ondas electromagnéticas, y vemos esta unificación en nuestras tecnologías cotidianas, como los teléfonos móviles que se comunican a través de ondas electromagnéticas".

A energías extremadamente altas, el electromagnetismo se combina con otra fuerza fundamental: la fuerza débil. La fuerza débil gobierna las reacciones nucleares, incluida la fusión del hidrógeno en helio que alimenta al sol y la desintegración de los átomos radiactivos.

   Así como los fotones transportan la fuerza electromagnética, los bosones W y Z transportan la fuerza débil. La razón por la que los fotones pueden colisionar y producir bosones W en el LHC es que a las energías más altas, esas fuerzas se combinan para crear la fuerza electrodébil.

   "Tanto los fotones como los bosones W son portadores de fuerza, y ambos llevan la fuerza electrodébil", dice Griso. "Este fenómeno está sucediendo realmente porque la naturaleza es mecánica cuántica".