LHC: La Tierra no peligra

Una explicación de porqué podemos quedarnos tranquilos.

Ningún objeto en el espacio es más misterioso -y psicológicamente amenazador- que un agujero negro. Se ha dicho que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) podría generar mini agujeros negros que podrían destruir nuestro planeta. Aquí, una explicación de porqué podemos quedarnos tranquilos.

Crédito:CERN

El LHC posee un tunel circular de 17 millas (27.358,85 metros o unos 27 km) donde las partículas viajarán a una velocidad cercana a la de la luz para colisionar entre sí, produciendo temperaturas 100.000 veces más calientes que en el núcleo del Sol. Los físicos observarán las colisiones en busca de pistas sobre los constituyentes fundamentales de la materia, dimensiones ocultas y el elusivo bosón de Higgs.

La magnitud de la maquinaria provocó alrededor del mundo preocupación de las consecuencias que esto podría generar. Y no me refiero a los apocalípticos de siempre con sus pancartas y comentarios en blogs, sino al establecimientos de pleitos en el distrito de Honolulu que buscan detener el comienzo de las operaciones del acelerador. Una demanda similar se estableció en 2000 contra el Colisionar de Iones del Laboratorio Brookhaven. Los cargos, entonces y ahora, es que los agujeros negros microscópicos que se puedan producir en el colisionador podrían deglutir la Tierra.

Discover le preguntó al físico de la Universidad Brown, Greg Landsberg, que está involucrado en experimentos en el LHC, si debemos perder el sueño por este tema.

Primero, ¿Cómo se podrían producir agujeros negros microscópicos en el LHC?

Cuando mucha materia es puesta en un espacio muy pequeño, colapsa bajo su propia gravedad y forma un agujero negro. Eso es lo que ocurre al formarse un agujero negro astronómico. Ahora, el LHC no crea mucha materia, pero sí pone un montón de energía en un volúmen muy pequeño. Se podrían crear agujeros negros en el LHC cuando dos partículas pasen muy cerca una de otra, si la interacción gravitatoria entre sí es lo suficientemente fuerte. Pero esto es posible sólo en ciertos modelos que predicen la existencia de dimensiones extra.

¿Cuál es la conexión entre las dimensiones extra y los agujeros negros?

La producción de agujeros negros requiere una fuerte atracción gravitacional. Pero la gravedad es mucho más débil que otras fuerzas, como el electromagnetismo. Una forma de remediar el problema es asumir la existencia de dimensiones extra en el espacio que posibiliten el transporte de la fuerza gravitacional -el llamado gravitón- pero que no sea accesible para otras partículas, como los quarks, electrones y fotones.

Si ese fuera el caso, la gravedad podría ser fundamentalmente fuerte pero parecer débil a nosotros, ya que los gravitones pasarían la mayoría de su tiempo en el espacio extra.
Imagina un palillo largo y finito. Si lo miras desde lejos, no te das cuenta que tiene una segunda dimensión enrrollada, su circunferencia. Te parece como una línea, es decir, de una dimensión. Sin embargo, si acercas el palito a una distancia comparable con su radio, comenzarás a darte cuenta de su segunda dimensión. De forma similar, cuando dos partículas se acercan una a otra, comienzan a sentir la gravedad de dimensiones extra. Ese es básicamente el marco teórico en el cual la producción de agujeros negros en el LHC es una posibilidad. Pero se debe entender que este es sólo un modelo. No se sabe si es cierto.

¿Cómo podrían ser observados los agujeros negros microscópicos?

Emitirían luz que sería mucho más caliente que la luz que proviene de las estrellas o el Sol, porque su temperatura es muchos órdenes de magnitud mayor. Emitirían rayos gamma de alta energía y podrían emitir toda clase de partículas, como electrones y muones, que podrían ser detectados.

¿Podemos estar seguros de que un agujero negro creado en el LHC no se expanderá y tragará la Tierra?

Creo que la respuesta más honesta a la pregunta es sí. Los agujeros negros que podrían producirse en el LHC se deberían producir por cientos cada día debido a los energéticos rayos cósmicos que bombardean la Tierra. Cuando los rayos cósmicos colisionan con partículas, es el mismo tipo de colisión que ocurre en el LHC. Por lo que el hecho de que existamos aquí y estemos hablando de estas cosas nos dice que incluso si los agujeros negros se producen, parece ser seguro. Si los agujeros negros no se producen, o si decaen muy muy rápidamente debido a la radiación de Hawking o un mecanismo equivalente.

¿Qué es exactamente la radiación Hawking?

Stephen Hawking mostró en los años 1970 que los agujeros negros no son completamente negros. Tiene un pequeño tinte gris, por así decirlo. Esto significa que los agujeros negros no sólo degluten todo -o acretan, como se dice científicamente- sino que deben radiar algo de energía. Este prodces es conocido como radiación Hawking.

La intensidad de esa radiación es determinada por la temperatura del agujero negro. Cuando mayor sea el agujero, mayor será su radiación, igual a como una barra de metal caliente emite mucho mayor calor que uno frío. Ahora bien, la temperatura de un agujero negro es inversamente proporcional a su masa.

Cuando más masivo es un agujero negro, más frío será. Así, los agujeros negros pequeños son muy calientes y emiten mucha radiación, mientras los grandes, astronómicos agujeros negros son extremadamente fríos y casi no emiten energía. Los agujeros negros que se encuentran en el univeso son tan fríos que le llevará mucho, mucho tiempo -para siempre- evaporarse, muchos órdenes de magnitud mayor que la edad del universo.

Por el contrario, los agujeros negros en el LHC vivirían sólo una fracción de un segundo antes de evaporarse. Esto no es suficientemente largo para que acreten nada antes de desaparecer y un estallido de radiación. Estos agujeros negros se evaporarían casi instantáneamente, sin moverse más del tamaño del núcleo atómico.

¿Es posible cuantificar la posibilidad de una castástrofe en el LHC?

La probabilidad nunca es igual a cero en la mecánica cuántica, pero tú no te preocupas si la probabilidad es muy pequeña. Hay una pequeña probabilidad de que todas las moléculas de aire en tu habitación se agrupen en una mitad del cuarto y tú no puedas respirar. Pero estamos hablando de manejo del riesgo aquí, y creo que las personas deberían preocuparse sobre probabilidades que fueran grandes.

¿Si se detectaran agujeros negros en el LHC, qué significaría para los físicos?

Ante todo, probablemente nos ayudaría a construir una teoría de gravedad cuántica, la única fuerza que no fue realmente explicada por la mecánica cuántica. Tenemos muy poco conocimiento sobre cómo es una teoría de gravedad cuántica y producir estos agujeros negros en el LHC sería estar tan cerca como puedes estar para acercarse a una respuesta a esta pregunta.

Declaración de seguridad

Un resumen del LHC Safety Assessment Group (LSAG), Grupo de Evaluación de Seguridad del LHC:

La seguridad del LHC

El Gran Colisionador de Hadrones puede alcanzar una energía que ningún otro acelerador de partículas ha alcanzado antes, pero la naturaleza produce a diario energías mayores en colisiones de rayos cósmicos. Las dudas acerca de la seguridad de lo que se puede crear en las colisiones de partículas a alta energía han sido tenidas en cuenta durante muchos años. A la luz de nuevos datos experimentales y del conocimiento teórico el grupo de consulta sobre seguridad del LHC (LSAG) ha actualizado el estudio del análisis hecho en 2003 por el grupo de seguridad del LHC, compuesto por científicos independientes.

El grupo LSAG reafirma y extiende las conclusiones del estudio de 2003 afirmando que las colisiones del LHC no representan peligro alguno y que no hay razones para preocuparse. Todo lo que el LHC pueda hacer lo ha hecho ya la naturaleza muchas veces a lo largo de la vida media de la Tierra y de otros cuerpos celestes. El estudio preparado por el grupo LSAG ha sido revisado y aprobado por el comité de política científica del CERN, grupo de científicos externos que aconseja al órgano de gobierno del CERN, el Consejo del CERN. A continuación se resumen los argumentos principales que se exponen en el estudio realizado por el grupo LSAG. Para más detalles este informe se puede consultar directamente así como los artículos científicos a los que se refiere.

Rayos cósmicos

El LHC, como otros aceleradores de partículas, recrea el fenómeno natural de los rayos cósmicos en condiciones de laboratorio controladas, lo que permite ser estudiados en más detalle. Los rayos cósmicos son partículas producidas en el espacio sideral, siendo la energía de algunas de ellas mucho mayores que las que se producirán en el LHC. La energía y la frecuencia a la que llegan a la atmósfera de la Tierra se han medido en experimentos durante más de 70 años. Durante miles de millones de años la naturaleza ha generado sobre la Tierra tantas colisiones como un millón de experimentos equivalentes al LHC, y el planeta Tierra todavía existe.

Los astrónomos observan un gran número de cuerpos celestes en todo el universo, que están siendo atravesados constantemente por rayos cósmicos. El universo entero produce más de 10 millones de millones de experimentos como el LHC por segundo. La posibilidad de consecuencias peligrosas contradice lo que los astrónomos observan, las estrellas y las galaxias todavía existen.

La naturaleza forma agujeros negros cuando algunas estrellas, mucho mayores que el sol, colapsan sobre sí mismas al final de su vida. Concentran una gran cantidad de materia en un espacio muy pequeño. Las especulaciones sobre los agujeros negros microscópicos en el LHC se refieren a partículas producidas en las colisiones de pares de protones, cada uno de los cuales tiene una energía comparable a la de un mosquito volando.

Los agujeros negros astronómicos son objetos mucho más pesados que cualquier cosa que se pudiera producir en el LHC. De acuerdo con las bien conocidas propiedades de la gravedad, descritas por la teoría de la relatividad de Einstein es imposible que agujeros negros microscópicos se puedan producir en el LHC. Existen, sin embargo, algunas teorías especulativas que predicen la producción de dichas partículas en el LHC. Estas teorías predicen que tales partículas se desintegrarían inmediatamente. Por lo tanto los agujeros negros no tendrían tiempo de absorber materia suficiente como para causar efectos macroscópicos.

A pesar de que agujeros negros microscópicos estables no se esperan en teoría, el estudio de las consecuencias de su producción por rayos cósmicos demuestra que son inofensivos. Las colisiones en el LHC y las colisiones de rayos cósmicos con cuerpos celestes como la Tierra se diferencian en que las nuevas partículas producidas en las colisiones del LHC se mueven más despacio que las producidas por rayos cósmicos. Los agujeros negros estables podrían tener carga eléctrica o ser neutros. Si tuvieran carga eléctrica, interaccionarían con la materia ordinaria y se pararían cuando atraviesan la Tierra, se hayan producido en rayos cósmicos o en el LHC.

El hecho de que la Tierra exista todavia, descarta la posibilidad de que los rayos cósmicos o el LHC puedan producir agujeros negros microscópicos cargados y peligrosos. Si los agujeros negros microscópicos estables no tuvieran carga eléctrica, su interacción con la Tierra sería muy débil. Aquéllos producidos por rayos cósmicos pasarían de forma inofensiva a través de la Tierra hacia el espacio, mientras que los producidos en el LHC se podrían quedar en la Tierra.

Sin embargo, existen cuerpos celestes mucho más grandes y densos que la Tierra en el universo. Los agujeros negros producidos en colisiones de rayos cósmicos con otros cuerpos como estrellas de neutrinos o enanas blancas se pararían. La existencia de dichos cuerpos celestes densos en la actualidad, además de la existencia de la Tierra, elimina la posibilidad de que el LHC produzca agujeros negros peligrosos.

Strangelets

Strangelet es el término con el que se denomina a un hipotético trozo microscópico de “materia extraña” que contiene el mismo número de partículas, quarks, de tipo up, down y strange. De acuerdo con los estudios teóricos más recientes los strangelets se transformarían en materia ordinaria en una milésima parte de un millonésima parte de un segundo. Pero ¿podrían los strangelets fusionarse con la materia ordinaria y cambiarla por “materia extraña”?.

La primera vez que se planteó esta cuestión fue en el año 2000 cuando comenzó a funcionar el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC) en Estados Unidos. Un estudio de esa época demostró que no existían razones para preocuparse, y el acelerador RHIC ha funcionado durante ocho años buscando strangelets sin haberlos encontrado. Durante algunos periodos el LHC funcionará con haces de núcleos pesados, como el RHIC. Los haces del LHC tendrán una energía mayor que el RHIC, lo que hace todavía menos probable que pudieran formarse strangelets. Es difícil que la “materia extraña” pueda agruparse en las altas temperaturas producidas en dichos colisionadores, de la misma forma que el hielo no se forma en agua caliente.

Además los constituyentes estarán más diluidos en el LHC que en el RHIC, lo que hace más difícil que la “materia extraña” pueda agruparse. La producción de strangelets en el LHC es menos probable que el RHIC, y la experiencia en este acelerador ha validado el argumento de que no se pueden producir strangelets.

Burbujas de vacío

Existen especulaciones sobre que el universo no se encuentra en su configuración más estable, y que las perturbaciones causadas por el LHC podrían llevarlo a un estado más estable, llamado burbuja de vacío, en el que no podríamos existir. Si el LHC pudiera hacer esto, también podrían hacerlo las colisiones de rayos cósmicos. Puesto que las burbujas de vacío no se han producido nunca en el universo visible, no se podrán producir en el LHC.

Monopolos magnéticos

Los monopolos magnéticos son partículas hipotéticas con una única carga magnética, bien un polo norte o un polo sur. Algunas teorías especulativas sugieren que, si existen, los monopolos magnéticos podrían producir la desintegración del protón. Estas teorías también predicen que dichos monopolos serían demasiados pesados como para que se pudieran producir en el LHC. Por otra parte, si los monopolos magnéticos fueran lo suficientemente ligeros como para producirse en el LHC, los rayos cósmicos que golpean la atmósfera de la Tierra los hubieran producido ya, y la Tierra los habría parado y atrapado. El hecho de que la Tierra y otros cuerpos celestes sigan existiendo elimina la posibilidad de que los peligrosos monopolos magnéticos que se comerían a los protones fueran lo suficientemente ligeros como para producirlos en el LHC.

LHC Concerns

Exite un grupo que discute, en un foro, sus preocupaciones sobre el funcionamiento del LHC:LHC Concerns

Fuentes y links relacionados

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Discover:The Extremely Long Odds Against the Destruction of Earth
Astroseti: El gran colisionador de hadrones (LHC) (I)
Es una serie de 14 artículos, también publicados aquí, muy recomendables de leer.
¿Qué podemos esperar del LHC?
Stephen Hawking y los agujeros negros

Vía: Últimas noticias del cosmos