Mini agujeros negros en el LHC: aprendamos a conocerlos (y IV)

Entrevista a Aurélien Barrau (2ª parte).

Segunda y última parte de la entrevista realizada por Futura-Sciences a Aurélien Barrau, con la que concluimos la serie dedicada a conocer un poco más el funcionamiento y los objetivos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Futura-Sciences: ¿Cómo se realizará la detección de estos mini agujeros negros en los detectores del LHC como el Atlas?

Aurélien Barrau: En primer lugar el hecho que cuanto más se aumenta la energía más se ve favorecida la producción de mini agujeros negros y esta se volverá importante, hasta convertirse en el proceso dominante.

Es fácil de entender. Cuando se aumenta la energía, podemos crear mini agujeros negros cada vez más y más masivos pero eso quiere decir que el radio de estos agujeros negros, el radio de Schwarzschild R_s, se vuelve cada vez más grande. La energía de colisión de dos partículas E puede ser convertida en una masa M=E / c² la cual nos da un radio R_s=2GM / c².

Dos partículas que entran una zona definida por el radio de Schwarzschild de la energía asociada en el momento de una colisión en el LHC. El horizonte (en gris) de un agujero negro se forma en seguida.

Si imaginamos dos quarks en los haces del LHC chocando y que son separados por una distancia inferior a dos veces este radio, se formará en seguida un agujero negro. Comprendemos bien que, cuanto más grande es esta distancia, menos necesita crear haces muy luminosos y concentrados para tener una posibilidad de producir un mini agujero negro. La paradoja es que cuanto más se aumenta en energía por encima de la masa de Planck, más los agujeros negros creados se comportan como objetos clásicos descritos por la relatividad general de Einstein. Es un ejemplo simple de una propiedad asombrosa de la teoría de las cuerdas, la conexión entre el régimen infrarrojo (baja energía y gran longitud de ondas) y la radiación ultravioleta (alta energía y pequeña longitud de ondas).

Luego, durante las colisiones entre protones en el LHC, se producirán sobre todo mayoritariamente hadrones así como mesones y protones. Serán más numerosos que los leptones, como los electrones o los muones, y dominarán también por su número los fotones.

Además, a causa de estas colisiones, las partículas creadas tendrán tendencia a escaparse más bien en direcciones paralelas a los haces que en direcciones perpendiculares. Entonces, en el caso de producción de mini agujeros negros, estos últimos se evaporan de modo esférico en sus últimos estadios y con un índice importante de fotones y leptones. Aunque si se tiene en cuenta el movimiento del agujero negro creado con relación a la superficie del laboratorio donde se encuentra el detector, obtenemos un exceso muy significativo de leptones, de fotones y de partículas según las direcciones perpendiculares a los haces, señales fáciles que hay que detectar y analizar.

Un quark y un antiquark chocan en el LHC dando un agujero negro, el cual al evaporarse emite fotones, electrones y chorros de quarks (entre otros), en todas direcciones.

© Sabine Hossenfelder

F-S: ¿Que podemos aprender del análisis del espectro de las partículas emitidas por estos mini agujeros negros?

A. B.: En principio, muchísimas cosas. En primer lugar, que el espacio no está limitado a 3 dimensiones, sino que posee otras. El espectro de la radiación Hawking es similar a la de un cuerpo negro de temperatura T. Midiendo este espectro y su temperatura asociada, nos remonta en el número de dimensiones extra y su tamaño. Esto sucede porque algunos debe ser mayores de lo que pensábamos antes, a finales de los años 1990, que la masa de Planck puede ser sólo de unos pocos TeV. Luego, la evaporación de un agujero negro tiende a ser lo suficientemente democrático para los tipos de partículas emitidas. Reacciones que son raras en el modelo estándar, o de sus extensiones supersimétricas, lo son menos y es así más fácil producir y detectar estas partículas como el Bosón de Higgs y las partículas supersimétricas.

En forma general, es toda la física de partículas la que está presente de una forma u otra en este espectro, como por ejemplo los gravitinos de la supergravedad o el valor de la constante de acoplamiento en la teoría de cuerdas. En realidad existe una pequeña desviación en la ley de cuerpo negro durante la evaporación. Hemos demostrado que el estudio detallado de esta desviación (que proviene principalmente de que las partículas emitidas en las cercanías del horizonte ven una métrica muy perturbada) conserva la huella de la teoría gravitacional subyacente. Es básicamente por esta razón que el espectro evaporado por los agujeros negro codifica probablemente un gran número de sutiles efectos de nueva física y puede ser muy rico en información.
Obviamente, todas estas ideas que acabamos de mencionar, teoría de las cuerdas, supersimetría, teorías con una masa de Planck baja, etc., son bastante especulativas. La Naturaleza podría completamente funcionar según un plan completamente diferente pero las perspectivas abiertas son tan fascinantes que la exploración de estos modelos parece completamente justificada. ¡Es en cualquier caso un motivo inagotable de alegría para el investigador!

Sir Roger Penrose explicando el puente de Einstein-Rosen con la teoría de los espinores en 1988 en la Universidad de Durham. Fue uno de los primeros en estudiar la formación de un agujero negro en el momento de la colisión de partículas de alta energía.

© Mathematisches Forschungsinstitut Oberwolfach

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F-S:¿Qué piensa de los que temen ver la Tierra destruida por la posible creación de mini agujeros negros en el LHC?

A. B.: Creo que no se basan en ningún fundamento.

Puedo decirle que yo mismo estoy bastante preocupado por los problemas de destrucción del planeta y de la Naturaleza (como uno todavía se atreve a llamarla antes de que la rebajaran a nombrarla medio ambiente) y tomo muy en serio la cuestión de este riesgo en el LHC, lo cual estudié con mis colegas Pierre Salati y Michel Cassé.

Hace algunos meses, un nuevo informe de expertos, pedido por el Cern, ha publicado los riesgos que podía acarrear para la Tierra el LHC, creando objetos tan exóticos como monopolos magnéticos o, precisamente, mini agujeros negros. El informe de John Ellis, Gian Giudice, Michelangelo Mangano, Igor Tkachev y Urs Wiedemann acaba con las mismas conclusiones que el que ya había sido publicado en 2003: la ausencia total de riesgos con el LHC.
No es muy difícil el comprender por qué. Algunos cálculos elementales al alcance del profano son suficientes.

Para empezar, recordemos que los temores expuestos a propósito de los mini agujeros negros son los siguientes. Primero, comenzamos por suponer que un mini agujero negro, que pueda posiblemente ser creado en el LHC, será animado sólo por una velocidad muy débil con relación a la superficie de la Tierra. Es muy poco probable pero por qué no, el mini agujero negro caerá luego hacia el centro de la Tierra y la cuestión es entonces saber si no va a ponerse a absorber la materia para crecer más o menos rápidamente y destruir el planeta entero.

Si se cree en el proceso de evaporación por radiación Hawking, los cálculos indican que son suficientes 10^-27 segundos para que el mini agujero negro se evapore, un tiempo demasiado corto para que pueda crecer acrecionando materia. El escéptico dirá, y con razón, que nada nos prueba que estos cálculos sean exactos.

Esa es la razón por la que los expertos del Cern no se basaron en teorías para llegar a sus conclusiones, sino en hechos experimentales. Este es un punto importante ya que invalida todos los argumentos de personas como Otto Rössler, el cual afirma que no sólo un agujero negro no se evapora, sino que un mini agujero negro dentro de la Tierra se pondrá a crecer mucho más rápidamente que lo que los cálculos indican.

Aurélien Barrau en pleno cálculo

© Aurélien Barrau

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Volvámonos hacia los rayos cósmicos que caen sobre la Tierra y comparemos la situación con los experimentos que serán efectuadas en el Cern con el LHC, durante varios años. En el LHC, tratamos con dos haces de protones que giran en sentido contrario para acabar chocando con energías de 7 TeV, es decir 7.000 GeV. Si imaginamos un protón proveniente de la radiación cósmica que choca con un núcleo de la atmósfera terrestre, como se trata de una colisión con blanco fijo, este último deberá tener una energía de 10⁸ GeV, es decir 10¹⁷ eV, para producir el mismo tipo de reacción que en el LHC. Ahora bien, observamos que sobre la Tierra los rayos cósmicos pueden alcanzar por lo menos 10²⁰eV con los detectores en tierra como el Auger.

El programa de investigación en el LHC va a durar varios años y están previstas cerca de 10¹⁷ colisiones de protones a esta energía de 10¹⁷ eV. Ahora, sabemos que el flujo de rayos cósmicos con energías superiores a 10¹⁷ eV está cayendo sobre cada centímetro cuadrado de la superficie de la Tierra aproximadamente a 5x10^-14 por segundo. El aire del globo terráqueo tiene una superficie de aproximadamente 5x10¹⁸ centímetros cuadrados, y la edad de la Tierra es de 4,5 miles de millones de años, por consiguiente más de 3x10²² rayos cósmicos de energías superiores a 10¹⁷ eV han golpeado pues la superficie del globo desde su formación. ¡Esto significa que la naturaleza ya ha realizado el equivalente a aproximadamente 100.000 programas completos del LHC y el planeta sigue existiendo todavía!.

Pasemos al Sol, su superficie representa cerca de 10.000 veces la de la Tierra. Son pues mil millones de experimentos equivalentes al tiempo completo de explotación del LHC que han sido realizados por la naturaleza desde la creación del sistema solar. Para terminar, la Galaxia cuenta con cerca de 10¹¹ estrellas con un tamaño comparables al del Sol y el Universo observable 10¹¹ galaxias similares a la nuestra. ¡Continuando con está progresión de valores, y teniendo en cuenta nuestras estimaciones, esto quiere decir que el Universo ya ha realizado 10³¹ experimentos del LHC!

Se puede objetar todavía que se trata de colisiones sobre blancos fijos pero existen en el Universo los objetos increíblemente densos, como las enanas blancas y las estrellas de neutrones, que son capaces de parar rápidamente un mini agujero negro estable que se hubiera formado. Observamos estas estrellas y tienen vidas particularmente largas. Vemos que no hay entonces ninguna observación que sostenga la idea que un mini agujero negro pueda engullir a la Tierra.

¡Tal vez simplemente porque la masa de Planck es de 10¹⁹ GeV y, por tanto, no es posible crear tal agujero negro hoy!.

Representación artística de algo que no va a suceder, la Tierra engullida en su propio agujero negro.

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F-S; ¿Estos estudios sobre los mini agujeros negros son aislados? ¿Le han conducido hacia otros horizontes?.

A. B.: ¡Es una física que precisamente está conectada con casi todas las demás! Han sido de interés para mí por algunos aspectos sobre la gravitación cuántica para comprender la muerte de los agujeros negros que se evaporaba, y quise comprender también lo que otros enfoques proponen sobre esta materia.

Esencialmente, dos grandes clases de teorías permiten abordar la gravitación cuántica. De una parte, hay una teoría de las cuerdas o más bien las teorías de las cuerdas ya que se sabe desde los trabajos de Bousso y Polchinski que existe un verdadero "paisaje" de leyes asociadas a las cuerdas. En este enfoque todas las interacciones están unificadas y los aspectos clásicos del campo de gravitación aparecen sólo en un cierto límite donde las fuerzas se desacoplan. Por otra parte, hay lo que se podría llamar la "relatividad general cuántica" que se escinde en enfoques covariantes (por ejemplo las teorías de campo efectivas, el grupo de renormalización, las integrales de camino, etc.) y enfoques ortodoxos (por ejemplo la geometrodinámica cuántica o la gravedad cuántica de bucles).

Como contrapunto a las cuerdas, tengo debilidad por la gravedad cuántica de bucles. Esto se debe en parte a la personalidad de los que la inventaron (Rovelli y algunos otros me fascinan por su profundidad de visión) y en parte a la elegancia del planteamiento. ¡Explícitamente incorporar la invarianza de fondo, es decir no tener ninguna estructura absoluta, no es nada! Para la evaporación de los agujeros negros, las predicciones de la gravedad cuántica de bucles son claras y emanan directamente de la naturaleza discreta de las áreas. Esta fenomenología es esencialmente conocida. Con mi colega Julien Grain, nos interesamos ahora por las consecuencias cosmológicas de la gravedad cuántica de bucles. Estoy persuadido que la cosmología es, con los agujeros negros, el mejor medio de sondear estos modelos.

Nos parece que el espectro de las fluctuaciones primordiales debe ser modificado por las correcciones debidas a la gravedad cuántica de bucles. Esto podría dejar rastros observables que no se traducirían como una "inclinación" inhabitual del espectro. ¡Pero todavía quedan muchos cálculos para efectuar y no nos encontramos aún en situación de dar los resultados en números!

Página recomendada:
- La hora cero. Un blog redactado por científicos españoles que trabajan en el LHC, muy recomendable.

Todos los capítulos:

1. Intentando aclarar dudas
2. En el camino hacia nuevas dimensiones
3. Entrevista a Aurélien Barrau (1ª parte)
4. Entrevista a Aurélien Barrau (2ª parte)
   

Crédito de las imágenes (para toda la serie): Futura-Sciences. AIP. CERN. TASI. Matthew J. Lee. Richard Harris, NPR. Aurélien Barrau. Sabine Hossenfelder. Mathematisches Forschungsinstitut Oberwolfach.

Agradecimientos (para toda la serie): Wikipedia. IIEH. Eduardo J. Carletti.

Traducido para Astroseti.org por Xavier Civit

Enlace: http://www.futura-sciences.com/

Vía: Astroseti