Prohibido pisar el acelerador (de partículas)

Centro de investigación Filadyne, Luxemburgo. En el laboratorio Arquímedes de aceleración de partículas, el profesor Soderstrom está a punto de llevar a cabo un experimento cuyo fin es la búsqueda de una nueva fuente de energía alternativa. Mediante videoconferencia, el director general del proyecto, el maléfico doctor Thomas Abernathy (interpretado por Malcolm MacDowell, el maravilloso Alex de "La naranja mecánica") asiste al evento. A pesar de las advertencias que le aconsejan no seguir adelante, decide hacer caso omiso de las mismas. Y ya se sabe, cuando no haces caso a los científicos en las películas, algo grave acaba sucediendo. La prueba acaba mal y fallecen unas cuantas personas, entre ellas el profesor Soderstrom. Ocho años después de la tragedia, en la universidad Norton Fraser, su hija, Eva Soderstrom hace uso de sus puntiagudos encantos para conseguir acceso a las nuevas instalaciones Filadyne, gracias a ciertos favores carnales con Steven Pryce, ingeniero de estructuras en la instalación, aún dirigida por Abernathy. Nuestra heroína no pretende otra cosa que averiguar la causa de la muerte de su padre. Indirectamente, descubre por casualidad que la nueva prueba que se pretende llevar a cabo en los laboratorios, conducirá irremediablemente a la creación de un agujero negro que acabará con todo el planeta al ir viajando por su interior hasta las antípodas y volver en un interminable viaje de ida y vuelta, mientras va engullendo materia.

Estas líneas corresponden a la película "Experimento mortal" (The Void, 2001), estrenada directamente en DVD en nuestro país y, por lo visto en la pantalla, con un presupuesto no demasiado generoso. Sin embargo, me sirve estupendamente para contaros algunas cosas interesantísimas acerca de la formación de agujeros negros artificiales en el laboratorio, un tema que ha estado y está de actualidad, desde hace unos pocos años y que ha cobrado un nuevo protagonismo este mismo año al estar finalizando la construcción del LHC (Large Hadron Collider) en el CERN, un acelerador de partículas dotado de un anillo con 27 km de circunferencia y en el que se harán colisionar protones a velocidades muy cercanas a la de la luz.

A pesar de la mediocridad de la película anteriormente mencionada, tengo que reconocer que la cuestión que plantea no es despreciable en absoluto. Ya en el año 2000, un equipo de físicos entre los que se encontraba el premio Nobel de 2004, Frank Wilczek, publicaron un estudio (se puede conseguir online aquí) sobre diversos escenarios catastróficos que podrían tener lugar en nuestro planeta debidos a causas diversas, entre las cuales figuraba la producción de agujeros negros en un acelerador de partículas como el RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) en Estados Unidos. Más recientemente, Marcus Bleicher, en un artículo publicado en el European Journal of Physics, analiza la posibilidad de generar microagujeros negros en los experimentos que tendrán lugar en los próximos meses en el LHC del CERN.

Muchos de vosotros ya sabréis que el concepto de agujero negro, tal y como se conoce en la actualidad, surgió a principios del siglo pasado, cuando Karl Schwarzschild encontró la primera solución exacta de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, mientras luchaba en las trincheras del frente ruso durante la I Guerra Mundial (allí mismo contraería una enfermedad que acabaría con su vida en 1916). De esta solución surgían de forma natural los agujeros negros. Hoy en día, sabemos que tales soluciones se corresponden con objetos astrofísicos que se producen en las últimas fases de la evolución de las estrellas y también pueden formar parte de los núcleos galácticos con masas de millones de soles. El agujero negro en el centro de la Vía Láctea se puede observar si se mira en dirección a la constelación de Sagitario (en las fotos). Estos agujeros negros astrofísicos están bastante bien comprendidos. Sin embargo, recientemente, se ha propuesto la existencia de agujeros negros de tamaños microscópicos.

En 1914 Guntar Nordström propuso la generalización de las ecuaciones de Maxwell (las que describen el electromagnetismo) a 5 dimensiones. El objeto era describir de forma conjunta los fenómenos de origen gravitatorio y los de origen electromagnético (esto se llama en Física, unificación de fuerzas). Desgraciadamente, el trabajo de Nordström pasó desapercibido durante cinco largos años, hasta que en 1919 Theodor Kaluza retomó el tema de forma independiente. Otros siete años después, Oskar Klein generalizaría las ideas de Kaluza, llevándolas al terreno cuántico. Estos modelos predecían que la tal quinta dimensión, en caso de existir, debería tener un tamaño comparable a la longitud de Planck (algo menos de 0,00000000000000000000000000000000001 metros). Esto explicaba por qué no se había observado y, lo que era peor, la tremenda dificultad para poder ponerla de manifiesto de forma experimental. Así pues, la idea de otras dimensiones adicionales a las tres ordinarias (longitud, anchura y altura) se abandonó hasta los años 70, cuando surgió la teoría de cuerdas, según la cual, el espacio podría tener hasta 7 dimensiones adicionales, pero éstas también serían inobservables debido a su pequeño tamaño. A finales de los años 90, los profesores Arkani-Hamed, Dvali y Dimopoulos sugirieron la posibilidad de que algunas de esas dimensiones adicionales podrían tener tamaños medibles del orden de centésimas de milímetro. A esto se le llamó el modelo ADD, por las iniciales de los tres científicos. Es justamente esta posibilidad de un tamaño “tan grande” la que hace que el escenario en el que se puedan generar microagujeros negros en un laboratorio cobre vida.

¿Cómo se puede demostrar o poner de manifiesto la existencia de estas dimensiones adicionales grandes? La idea consiste en analizar lo que ocurre cuando indagamos en el interior de la materia, a distancias muy, muy pequeñas, ya que se piensa que en ellas no se cumple la ley de la gravitación de Newton, es decir, la atracción gravitatoria ya no varía con el inverso del cuadrado de la distancia, sino que varía de una forma diferente dependiendo del número de dimensiones adicionales que tenga el espacio. Tengo que advertiros que, aunque parezca mentira, la ley de Newton no ha sido comprobada experimentalmente de una forma precisa para distancias inferiores al milímetro. Ahora bien, ¿cómo poner de manifiesto estas dimensiones espaciales que no somos capaces de experimentar debido a su tamaño tan reducido? Pues la forma de hacerlo es utilizando aceleradores de partículas con la energía suficiente. Y aquí es donde entra en escena el LHC. En este enorme anillo, se hacen colisionar haces de protones a velocidades relativistas (cercanas a la de la luz). Cuando esto sucede, las partículas constituyentes de los protones (llamadas quarks y gluones) interaccionan. Si las distancias a las que se acercan estos constituyentes llegan a hacerse suficientemente pequeñas y las energías de las mismas son suficientemente grandes, en teoría, es posible la formación de microagujeros negros. El LHC será capaz de producir haces de protones con energías de 7 TeV (7 billones de electrón-volts), con lo cual, la masa de los agujeros negros creados podría rondar hasta las diez billonésimas de billonésimas de kilogramo. Nada que ver con la masa atribuida por la doctora Soderstrom al horripilante engendro negro que acabará con nuestro planeta y que resulta ser de nada más y nada menos que 3 ó 4 gramos.

Supongo que, a estas alturas, os estaréis preguntando si estos agujeros negros pueden ser realmente peligrosos para la vida. Seguid leyendo y quizá os lo cuente. Por un lado, resulta que se estima que la producción de agujeros negros que será capaz de proporcionar el LHC rondará los 1000 millones al año, es decir, casi 10 agujeros negros cada segundo. Por otro lado, está la famosa radiación Hawking, que predice que cuanto más pequeño es el tamaño de un agujero negro, tanto más rápidamente emite radiación y se “volatiliza” dando lugar a un chorro de quarks y gluones. Pero lo más sorprendente viene ahora justamente. Este chorro de partículas elementales que se genera en la explosión del microagujero negro no verificaría el principio de conservación del momento lineal ni el de la energía. Para que nos entendamos con un ejemplo sencillo, sería como si al disparar un arma de fuego, no hubiese retroceso del arma. Y aquí se cierra el círculo, pues ese fallo en las leyes de conservación sería visto por los científicos como una prueba de la existencia de las dimensiones adicionales grandes que tanto se buscan. Es un argumento perfecto: si existen dimensiones adicionales, entonces existen microagujeros negros y si existen microagujeros negros, entonces existen dimensiones adicionales.

En honor a la verdad, también debo decir que aún no está claro si estos microagujeros negros pueden dar lugar a remanentes estables de algún tipo de materia oscura, por ejemplo. Si ésta fuese estable, los microagujeros negros caerían hasta el centro de la Tierra. Una vez allí, la probabilidad de capturar otras partículas es proporcional al volumen del agujero negro. Como son tan pequeños, esta probabilidad es minúsculamente pequeña (pero no nula). Podrían pasar muchos, muchos años hasta que otra partícula fuese devorada por nuestro monstruo interior. Después de todo, hay teorías que estiman una producción de entre un agujero negro al año y uno al día a causa de la colisión entre rayos cósmicos ultraenergéticos y núcleos de nuestra atmósfera. Esto hace entre 4500 millones y 1,6 billones a lo largo de la edad de la Tierra y, sin embargo, no parece haber supuesto amenaza alguna para nuestro mundo.

Ahora que también podrían estar todos equivocados y entonces…