A punto el LHC - gran colisionador de hadrones

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


Intentando aclarar dudas.



Los mini agujeros negros son unos objetos fascinantes introducidos en el mundo de la astrofísica y de la cosmología por Stephen Hawking. Recientemente, la posibilidad de producirlos artificialmente en el LHC ha sido considerada seriamente por ciertos físicos. ¿Que podríamos aprender sobre la estructura de nuestro Universo y sobre todo, representará un riesgo para nuestro planeta?


Sabemos que el concepto de agujero negro es bastante antiguo ya que nos podemos remontar a Michell y Laplace pero, probablemente más que ningún otro, es Subrahmanyan Chandrasekhar el responsable de su introducción en el mundo de la física teórica y sobre todo de la astrofísica. En el espíritu del gran público, un agujero negro es ese monstruo voraz que lo atrae todo y del que nada puede escaparse. Sin embargo, si nuestro Sol debiera transformarse en agujero negro, su atracción sobre nuestro planeta sería idéntica y sólo en la zona que se extendería entre la superficie actual del Sol y la de la superficie del nuevo agujero negro, de un diámetro de menos de 10 km, la intensidad del campo de gravitación sería mucho mayor.

Nuestra estrella jamás se transformará en un agujero negro porque haría falta para ello que su masa fuera varias decenas de veces superior. En el caso de las estrellas que sobrepasan las 30 masas solares, es posible que algún día su corazón sobrepase la masa de Chandrasekhar que es de 1,4 veces la masa del Sol aproximadamente. Llegados a este punto de la evolución de las reacciones nucleares en ese corazón y en virtud de las leyes de la mecánica cuántica y de la relatividad, ninguna fuerza será capaz de oponerse a la gravitación y, si se exceptúa el caso de las estrellas de neutrones cuya masa limite es apenas más elevada, se producirá inevitablemente un hundimiento gravitacional en una singularidad, por lo menos en toda teoría que incluya la relatividad general de Einstein bajo su forma clásica y no cuántica.

¿Cuánto pesa el más pequeño de los agujeros negros?.

¿La masa de Chandrasekhar es la masa del agujero negro más pequeño que puede existir en el cosmos?

A priori sí, aunque se sabe que en realidad, para una masa M dada, bastaría con poder concentrarla en una región esférica en la que el radio es dado por Rs=2GM / c2, el radio de Schwarzschild*, para obtener un agujero negro (donde G es la constante de la gravitación y c la velocidad de la luz). Pero como son necesarias presiones enormes que se encuentran sólo en el terreno de la astrofísica, hay que concluir que la masa de Chandrasekhar es correcta, no sólo esta masa es el límite de la estabilidad de una estrella que haya agotado su carburante nuclear, y se encuentra en forma de enana blanca, sino que también es la masa mínima para un agujero negro.

¡Pero esta conclusión es falsa! Stephen Hawking lo demostró en 1971 utilizando los trabajos publicados en 1967, por los dos grandes líderes de la astrofísica y de la cosmología relativista que eran Yakov Zeldovich e Igor Novikov .


 




En el marco de los modelos cosmológicos de tipo Big bang, sabemos que la densidad "inicial" del Universo observable era muy grande y, si nos creemos las ecuaciones que intentan describir el estado de la materia y del campo gravitacional próximo a la singularidad cosmológica inicial en la relatividad general clásica, el Universo era muy turbulento con fluctuaciones caóticas de su métrica y de su densidad como bien muestran los trabajos de Misner (es el modelo conocido bajo el nombre de universo mixmaster*), así como también los de Belinsky, Khalatnikov y Lifchitz.

En estas condiciones infernales, si una fluctuación de densidad se hace tal que una masa dada pasa bajo su radio de Schwarzschild, de eso resultará un mini agujero negro. De hecho, siendo dada la velocidad límite de propagación de las interacciones (la de la luz), si se considera una burbuja de luz emitida por una zona del tamaño de la longitud de Planck en el tiempo de Planck, podrá evaluarse por valores nulos, entonces tal densidad de materia (o de energía, por ejemplo un gas de fotones serviría igual), podrá conducir a un hundimiento gravitacional en el instante t si una masa


M(t)=c3t/G= 1015 (t /10-23) g


Se encuentra en el interior de esta burbuja de luz cuyo radio tendrá una longitud ct.

Esto es fácil de comprender. Si la fluctuación de densidad ocupa una región de tamaño superior a esta burbuja, las interacciones gravitacionales no tuvieron tiempo de propagarse entre estas diferentes partes desde el principio del nacimiento del Universo observable y la sobredensidad no "sabe" que debe hundirse.

Podemos así formar mini agujeros negros de masa tan débil como la masa de Planck, Mp=10-5 g, y mucho mas, ya que la masa de los agujeros negros que puede aparecer 1s después del Big bang es de 105 masas solares.

¿Agujeros negros en el corazón de los átomos?

Según el modelo cosmológico que se utiliza para describir el nacimiento del cosmos observable, el espectro de las fluctuaciones de densidad de materia/energía no será el mismo, y entonces, el tamaño y el número de agujeros negros primordiales que existentes actualmente será unos preciados indicadores para poner límites sobre la turbulencia y el tipo de modelo cosmológico adaptado a la descripción de los primeros segundos de la historia del cosmos, antes que la geometría del espacio-tiempo no se vuelva isotrópica y homogénea para acabar por ser descrita por ligeras perturbaciones sobre un fondo de tipo Friedmann Robertson-Walker con constante cosmológica*.

Es por otra parte lo que Stephen Hawking fue el primero en comprender y que fue objeto de dos publicaciones, antes de su resonante descubrimiento en 1974. Incluso había ido más lejos porque, conociendo la existencia de soluciones que describían agujeros negros cargados, había postulado que:


una parte de las partículas de la radiación cósmica podía estar constituida por estos mini agujeros negros y que podían haberse formado algunos tipos de átomos, con esos mini agujeros negros en su centro.



Fue estudiando las propiedades de estos mini agujeros negros que descubrió que estos últimos podían comportarse como partículas elementales, o núcleos calientes inestables, en proceso de desintegración emitiendo lo que fue bautizado más tarde como la radiación Hawking. De hecho, como había demostrado en 1974, incluso los agujeros negros producidos por estrellas debían ser capaces de evaporarse emitiendo esta radiación.

Evaporacion de agujero negro



 
Algunos físicos célebres de la escuela rusa, conocidos como el grupo de Landau. Arriba de izquierda a derecha: S.S. Gershtein, L.P. Pitaevskii, L.A. Vainshtein, R.G. Arkhipov, I.E. Dzyaloshinskii. Abajo de izquierda a derecha: L.A. Prozorova, A.A. Abrikosov, I.M. Khalatnikov, L.D. Landau, E.M. Lifshitz.
© API




El proceso es tanto más rápido cuanto más pequeño es el agujero negro. Entonces, cuando éste alcanza la masa de Planck, los cálculos de Hawking se hunden y hay que hacer intervenir una teoría de la gravitación cuántica como la teoría de las supercuerdas o una gravitación cuántica de bucles.El último destino de la evaporación de un mini agujero negro es de hecho uno de los grandes problemas irresolutos de la física teórica moderna. Como ya hemos dicho, a medida que un mini agujero negro se acerca a la masa de Planck, podemos considerarlo como la última partícula elemental, donde toda la física de altas energías, todas las partículas y fuerzas se unifican con el espacio-tiempo.

Objetos de estudio fascinantes pero difícilmente comprensibles.

No hay probablemente objetos físicos tan fascinantes y tan cruciales en nuestra comprensión del cosmos dentro del Universo, si se exceptúa evidentemente el cerebro humano. Si se hace el balance de lo que se acaba de exponer, los mini agujeros negros son en efecto:

- Sondas cosmológicas del Universo primordial y de su "nacimiento".
- Últimas sondas de la física de altas energías.
- El lugar de Unificación de toda la física, el espacio tiempo, la materia, las fuerzas, la relatividad general y la mecánica cuántica.

Si los mini agujeros negros son en cierto modo la última partícula elemental, entonces sería sumamente interesante el poder fabricarlos en el acelerador. Esto permitiría testar en el laboratorio las teorías de la gravitación cuántica en campo fuerte, precisamente lo que se necesita para unificar toda la física y comprender el origen del Universo.

¿Cuál sería el tamaño de tal acelerador capaz de alcanzar la energía de Planck? ¡ La respuesta es simple, para acelerar según las mismas técnicas que en el LHC los pares de protones y producir colisiones con energías por lo menos iguales a las de Planck, es decir 1019 GeV, haría falta un acelerador tan grande como la Galaxia, de un diámetro de aproximadamente 100 000 años luz!.

Hasta en los delirios más locos en los cuales la humanidad colonizaría la Galaxia, tal máquina es evidentemente imposible de construir. La situación parecía desesperada hasta finales de los años 1990, cuando dos grupos de investigadores hicieron dos descubrimientos notables que cambiaron completamente las perspectivas.

El primer grupo estuvo constituido por Nima Arkani-Ahmed, Gia Dvali, Savas Dimopoulos y el segundo por Lisa Randall y Raman Sundrum. Para comprender lo que hicieron, desgraciadamente hay que entrar en algunos detalles técnicos pero de hecho, lo importante es que el lector confie en sus capacidades y no tenga nada que temer.

Una cierta incompatibilidad con las teorías vigentes

En ambos casos, los investigadores habían partido de los problemas siguientes.

En el marco del modelo estándar de los quarks y de los leptones, interactuando gracias a las fuerzas electrodébil y nuclear fuerte, sabemos que la masa de las partículas es fijada por el mecanismo de Higgs y su famoso bosón.

Para que esto funcione, hace falta que este boson tuviera una masa inferior a 1 TeV (1.000 GeV). Hasta aquí todo va bien.

Pero he aquí que si se sumerge el modelo electrodébil en una teoría grande unificada (GUT) para incorporar la fuerza nuclear fuerte y aún mejor la gravitación, caemos en una pequeña preocupación. Los efectos de las correcciones cuánticas "renormalizan" la masa de Higgs y exigen que su masa sea del orden de las cuales estas fuerzas se unifican, alrededor de 1015 GeV aproximadamente para la Gran Unificación (GUT) y la masa de Planck, Mp = 1019 GeV, si se incorpora la gravitación. Este valor muy elevado es incompatible con lo que se sabe por otro lado sobre las masas de las partículas, recordemos que la masa de un protón es de apenas 1 GeV y la de un electrón casi 2.000 veces más débil.

Podemos intentar hacer un sutil arreglo artificial de las ecuaciones de la teoría para escapar del problema, por que cada vez que tratamos de echarlo por la puerta vuelve por la ventana en algún otro lugar en las ecuaciones bajo la misma forma y sobre todo, no tenemos ninguna explicación del arreglo que permanezca ad hoc. ¡Es el célebre problema de la jerarquía!


 
Simulación de la evaporación de un mini agujero negro en el detector Atlas del LHC.
© CERN
(pulsar sobre la imagen para ampliarla)



¿Por qué esa desviación entre la escala de rotura de simetría del modelo estándar, cuando las fuerzas débiles y electromagnéticas se separan (~1.000 GeV) y la de las teorías de tipo GUT (~1015 GeV), la escala a la cual la fuerza nuclear del QCD (cromodinámica cuántica) se individualiza?.

¿Y sobre todo cómo impedir que uno contamine al otro, en particular cuando se produce la Unificación a la gravitación?

En resumen, hasta 1998, sólo había una respuesta: la supersimetría (la segunda, el technicolor*, parece excluida por los datos del LEP, a principio de los años 1990). Es por otra parte una de las mayores razones de su introducción, pero no de su descubrimiento.


Para saber más.

El universo mixmaster es una solución de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein estudiada por Charles Misner en 1969. Describe la evolución temporal de un universo vacío de materia, homogéneo pero anisótropo, de la que el índice de expansión difiere en las tres direcciones del espacio. Este modelo corresponde al tipo IX de la clasificación de Bianchi. Se interesa particularmente por la evolución del universo en la vecindad de una singularidad gravitacional como el Big Bang.


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El radio de Schwarzschild es la medida del tamaño de un agujero negro de Schwarzschild, es decir, un agujero negro de simetría esférica y estático. Se corresponde con el radio aparente del horizonte de sucesos, expresado en coordenadas de Schwarzschild.

Puesto que el tamaño de un agujero negro depende de la energía absorbida por el mismo, cuanto mayor es la masa del agujero negro, tanto mayor es el radio de Schwarzschild, que viene dada por:





Donde G es la constante gravitatoria, M es la masa del objeto y c es la velocidad de la luz.

Esta expresión fue encontrada en 1916 por Karl Schwarzschild y constituye parte de una solución exacta para el campo gravitacional formado por una estrella con simetría esférica no rotante. La solución de Schwarzschild fue la primera solución exacta encontrada para las ecuaciones de la relatividad general. El radio de Schwarzschild es proporcional a la masa del objeto. El radio de Schwarzschild para la masa del Sol es de 3 km mientras que el radio de Schwarzschild para un objeto de la masa terrestre sería de tan solo 9 mm. El radio de Schwarzschild para el agujero negro supermasivo del centro galáctico es de aproximadamente unos 7.8 millones de kilómetros.


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En relatividad general, la constante cosmológica aparece en las ecuaciones de campo de Einstein como un término proporcional al tensor métrico, (el tensor métrico se utiliza para definir conceptos métricos como distancia, ángulo y volumen en un espacio localmente euclídeo).

La constante cosmológica fue introducida inicialmente por Einstein para lograr un Universo estático, que armonizaba con la filosofía de la concepción del universo reinante en su tiempo, siendo descartada luego por el descubrimiento de la expansión del Universo. La constante cosmológica es un término que equilibra la fuerza de atracción de la gravedad. Toma la forma de una fuerza gravitatoria repulsiva y fue añadida como una constante de integración a las ecuaciones de Einstein.

Al contrario que el resto de la relatividad general, esta nueva constante no se justificaba para nada en el modelo actual de la gravedad, y fue introducida exclusivamente con el fin de obtener el resultado que en la época se pensaba era el apropiado. Cuando se presentó la evidencia de la expansión de universo, Einstein llegó a declarar que la introducción de dicha constante fue el “peor error de su carrera”.

Recientemente ha cobrado importancia debido a mediciones que indican una expansión acelerada del Universo, lo cual podría explicarse mediante un valor negativo de o equivalentemente como se hace modernamente la introducción de una energía del vacío negativa, asociada a la llamada energía oscura.


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El LEP (Large Electron-Positron collider), Gran Colisionador de Electrones-Positrones, era un acelerador-colisionador e-e+ circular de unos 27 km de longitud, situado a 100 m bajo tierra en la frontera entre Francia y Suiza. Actualmente ha sido reemplazado por el LHC.


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En el caso de la teoría Technicolor, la simetría está conectada al postulado de una “fuerza technicolor”, versión más elaborada de la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza, poderosa en las altas energías y débil en aquellas alcanzadas en los aceleradores existentes, no se ha logrado detectar. La teoría Technicolor sugiere que el bosón de Higgs no es una partícula elemental sino una mezcla compleja formada por nuevas partículas llamadas “techniquarks”.

La teoría Technicolor predice una gama de nuevos complementos de partículas masivas en forma de complejos de techniquarks. Estas partículas todavía no han sido observadas. Experimentos en el Fermilab aclararán si la fuerza technicolor es real o no.

http://www.astroseti.org/noticia_3476_mini_agujeros_negros_lhc_aprendamos_conocerlos_i.htm

Una india de 17 años se ha suicidado por miedo al fin del mundo tras ver en la televisión noticias sobre la primera prueba del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que se ha llevado a cabo con éxito en Ginebra, informó hoy una fuente policial.

La adolescente Chhaya, que residía en la región central de Madhya, consumió ayer unas tabletas del grupo de las sulfamidas tras conocer que los científicos esperan recrear las condiciones en el Universo poco después del "Big Bang".

"Fue inmediatamente trasladada al hospital de (la ciudad de) Indore, donde murió", aseguró la fuente, citada por la agencia IANS.

El tratamiento de la noticia en algunos canales indios ha empujado a parte de la población a pensar que el inicio del experimento significaba también el principio del fin del mundo.

Según el rotativo "The Times of India", ayer varios lugareños de la ciudad oriental de Bhubaneswar se afanaron en acudir a los restaurantes para pedir sus platos favoritos o fueron a los templos para rezar.

"Tiene que haber algo de verdad en las noticias. No he dejado a mi marido ni a mis hijos que salgan de casa porque quería pasar el que podría ser el último día de mi vida con mi familia", dijo al diario una ama de casa, Renuka Das.

Hoy en Ginebra tuvo lugar con éxito el primer intento de hacer circular haces de protones por el acelerador LHC del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), al lograr que las partículas dieran una vuelta completa al enorme túnel circular de 27 kilómetros.

fuente: http://www.lostiempos.com/noticias/10-09-08/10_09_08_ultimas_vyf5.php

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


En el camino hacia nuevas dimensiones.


Una segunda solución existe, introducir dimensiones suplementarias. Veamos por qué. Lo que es fastidioso en el fondo es que la masa de Planck sea muy grande. ¿Entonces por qué no hacer bajar esa masa de Planck?

Esto puede parecer una completa locura, ya que después de todo, la masa de Planck únicamente depende de la velocidad de la luz c, de la constante de Planck h y de la constante de la gravitación G, constantes universales precisamente. Paciencia, sigamos inicialmente la idea de Dimopoulos, Dvali, Arkani-Hamed en 1998 que partieron de la teoría de las supercuerdas.

Como siempre en física fundamental, las leyes emanan de un principio de menor acción. No es vital para el lector el saber lo que esto significa para comprender la continuación del artículo. Todo lo que hay que saber, es que existe una cantidad bautizada acción de Einstein-Hilbert y lo que se anota a SEH y que permite derivar las ecuaciones de Einstein del campo de gravitación. Se escribe:

 


Donde R4 es el escalar de curvatura 4d del espacio tiempo (obtenido por contracción del tensor de Riemann) y G4, nuestra buena vieja constante de la gravitación en dimensión 4. La acción de Einstein Hilbert se calcula haciendo una suma íntegra sobre un campo del espacio tiempo a cuatro dimensiones.

Cuando se busca unificar las interacciones con la gravitación, una estrategia es aumentar el número de dimensiones del espacio, como en los casos de las teorías de Kaluza-Klein y de las supercuerdas. Podemos entonces derivar las ecuaciones de Einstein en n dimensiones inmediatamente con SEH sumando en un volumen de espacio tiempo a n dimensiones.

Más precisamente, añadamos p dimensiones suplementarias tales como p+4=n, tendremos entonces

 


Donde Rn es siempre el escalar de curvatura pero en n dimensiones y Gn la constante de la gravitación en un espacio-tiempo en n dimensiones.

Y si integramos entonces obtenemos como resultado aproximado:

 


Mágicamente, lo que tomo por la "verdadera" constante de gravitación 4d es de hecho la constante exacta nd corregida por un factor de volumen Vp que proviene de dimensiones suplementarias.

Finalmente, la verdadera constante de la gravitación Gn en n dimensiones es dada por:

 


Si se utiliza el cuadrado de la masa de Planck Mpl habitual en 4 dimensiones, la verdadera masa de Planck Mn en n dimensiones deviene entonces (si se coloca h=c=1 en un sistema de unidades apropiado).

 


¡La solución salta a la vista!.

Si Vp tiene suficientemente grande la escala de gran unificación está entonces alrededor de 1 Tev y todo vuelve a la normalidad sin suponer la supersimetría.

¡Además, esto querría decir que toda la física de la Gran Unificación y de la gravedad cuántica podría ser accesible al LHC!






Existe otro enfoque del problema de la jerarquía que utiliza también dimensiones suplementarias pero que no presupone que la teoría de las cuerdas sea verdadera. Descansa en el modelo de geometría deformada* con una dimensión suplementaria y es conocida de hecho desde los años 1980 en la teoría de supergravedades de Kaluza-Klein.

Ha sido propuesta en 1999 por Lisa Randall y Raman Sundrum. Consiste en tomar las ecuaciones de la gravitación de Einstein 5d (Kaluza-Klein) para describir dos universos paralelos en 4 dimensiones separados por una distancia débil que se extiende según la quinta dimensión. La métrica de espacio-tiempo que sirve para medir las distancias en tal Universo, una generalización del teorema de Pitágoras de la forma siguiente:

 


Donde y se corresponde a una quinta coordenada espacial.

Introduciendo esta métrica en el escalar de curvatura precedente de la acción de Einstein-Hilbert, casualmente, recaemos sobre la situación descrita anteriormente. Todo cálculo hecho en íntegrales similares a la precedente encontramos un factor V que depende de f(y) y que puede ser también grande.

En ambos casos, la masa de Planck podría ser de 1 TeV pero de hecho, nada la obliga allí, podría además ser de 1.000 TeV. Tomarla igual a algunos TeV es sólo uno de los modos eliminar el problema de la jerarquía de modo elegante, pero nada nos prueba que la Naturaleza hubiera escogido este modo de proceder.


 




Debería ser posible fabricar mini agujeros negros.

Seamos optimistas y tomémosla igual a 5 TeV. ¡En estas condiciones, si dos partículas que poseen una energía E superior a esta masa de Planck chocan y en un volumen cuyo radio es inferior al radio de Schwarzschild Rs=2GM/c2 dado por el equivalente en masa M=E/c2 de esta energía, un mini agujero negro se formará en seguida!

Los primeros en contemplar esta posibilidad fueron Tom Banks y Willy Fischler en 1999. Este artículo precursor contemplaba claramente que tal mini agujero negro debía evaporarse muy rápidamente a causa del efecto Hawking pero habrá que esperar al impacto de los artículos de Steven Giddings y Savas Dimopoulos en 2001 para que los primeros cálculos un poco detallados de este escenario fueran publicados y llamaran la atención de una amplia parte de la comunidad científica.

Muy rápidamente, los dos artículos de 2001 dieron lugar a otros más explorando no sólo la posibilidad de crear mini agujeros negros en el LHC sino también de observarlos en las colisiones de los rayos cósmicos de altas energías que caían sobre la Tierra, con instrumentos en el suelo como Auger e IceCube. El debate también hizo furor sobre los fundamentos de los cálculos de producción de mini agujeros negros a energías superiores a la energía asociada con la nueva masa de Planck, así como sobre la observabilidad de la radiación Hawking de estos mini agujeros negros.


 



Es en ese contexto que se inscriben los trabajos de Aurélien Barrau y sus colegas, entre los que se encuentran Julien Grain y Stanislas Alexeyev. Futura-Sciences le pidió al laureado con el Premio Bogoliubov 2006 si podía hablarnos más sobre el posible descubrimiento de mini agujeros negros en el LHC. Habiéndose generado tanta polémica en Internet respecto a los supuestos riesgos de un fin del mundo arrastrado por tales objetos, le pedimos desde luego lo que pensaba sobre eso. Generosamente dedicó parte de su tiempo para responder a todas nuestras cuestiones durante una entrevista, la cual podrán leer en un próximo artículo.


Para saber más:

La teoría de cuerdas no es capaz de describir un mundo de tres dimensiones. Sugiere un mundo con muchas más dimensiones, nueve o diez. Raman Sundrum y otros, han demostrado por qué en un mundo con una dimensión adicional espacial, la gravedad sería tan débil. Su idea se basa en una geometría deformada, que surge a partir de la teoría de la relatividad general de Einstein. Según esa teoría, el tiempo y el espacio están integrados en una única estructura espacial-temporal distorsionada, o deformada, por la materia y la energía. Aplicamos esta teoría en un contexto de dimensiones adicionales y encontramos una configuración en la cual el espacio-tiempo se deforma tanto que aunque la gravedad fuera fuerte en una región del espacio sería endeble en otra. El universo de la propuesta es un multiverso: la gravedad está en un universo y nosotros en otro, separado por una cuarta dimensión espacial.

http://www.astroseti.org/noticia_3478_mini_agujeros_negros_lhc_aprendamos_conocerlos_ii.htm

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


Entrevista a Aurélien Barrau (1ª parte).



Como les comentamos en el capítulo anterior, Astroseti continúa explorando el mundo de los mini agujeros negros y analizando los posibles descubrimientos con los que podría gratificarnos el LHC. Aurélien Barrau, laureado con el prestigioso premio Bogoliubov y uno de los mayores especialistas franceses en este campo tan prometedor, responde a las cuestiones de Futura-Sciences sobre la posible creación por el LHC de estas extrañas estructuras. También se tomó el trabajo de volver sobre el asunto de los riesgos de destrucción del planeta, que recientemente ha obtenido un cierto éxito mediático.


Futura-Sciences: ¿Qué le llevó a estudiar la física y la astrofísica de los mini agujeros negros?.

Aurélien Barrau: De hecho, todo partió de mis primeros trabajos de investigación referidos a los rayos cósmicos, más precisamente a los rayos gamma de altas energías que podemos observar, por ejemplo, con el telescopio CAT. Naturalmente, a partir de allí me interesé por los rayos cósmicos a ultra-altas energías (RCUHE) que caían sobre la Tierra (extremely high energy cosmic rays o EHECR en inglés), y cuyas energías sobrepasan los 1020 eV. Estas radiaciones, que se pueden observar por ejemplo, con el detector Auger en Argentina, chocan con los núcleos de los átomos en la alta atmósfera y producen allí reacciones un millar de veces más energéticas que las que se realizará en los detectores del LHC.

No sabemos muy bien cuales son los orígenes exactos de este RCUHE, probablemente los agujeros negros supermasivos en el corazón de las galaxias. No obstante, los trabajos de Stephen Hawking mostraron que los agujeros negros podían evaporarse, emitiendo un flujo de partículas cuyas energías eran muy grandes cuando el tamaño de estos agujeros negros era pequeño. Hablamos entonces de la radiación Hawking.

Tomando en consideración que la mecánica cuántica impone en efecto que los agujeros negros deben comportarse como cuerpos calientes que emiten una radiación de cuerpos negros a una temperatura inversamente proporcional a su masa. Así, deben evaporarse cada vez más rápidamente como lo haría una gota de líquido calentada a temperaturas cada vez más elevadas.

Los agujeros negros de origen estelar actuales, así como los agujeros negros supermasivos, son demasiado fríos para tener esta clase de comportamiento. Incluso absorben la radiación de fondo difuso de origen cosmológico, a 2,7 K. Pero el mismo Stephen Hawking había demostrado a principios de los años 1970, antes de su extraordinario descubrimiento de la evaporación de los agujeros negros, que pequeños agujeros negros podían haberse formado justo al principio de la historia del Universo observable. Algunos incluso podrían estar acabando de evaporarse en nuestros días, y los cálculos muestran que se emite entonces un flash de partículas a ultra-altas energías.

Me embarqué entonces en el estudio de la evaporación de los mini agujeros negros y las posibilidades de observar el fenómeno con los detectores que equipaban a los telescopios en el suelo o en órbita. Pero, de hecho, había inicialmente para mí otra razón para interesarme por estos mini agujeros negros.


F-S: ¿Se trataba de la posibilidad de utilizarlos como sonda cosmológica?

A.B.: ¡Completamente! Resulta que estos mini agujeros negros pueden teóricamente existir con una gama muy amplia de masas, de 10-5 gramos a un millón de masas solares, repartidas según diferentes poblaciones. Cuanto más pequeños son, más pronto se formaron en el Universo, mientras que reinaban condiciones dadas, de temperatura, presión y de composición del contenido en partículas del Universo primordial. En particular, mini agujeros negros cuyas masas estarían cercanas a la masa de Planck, se habrían formado justo después del célebre tiempo de Planck. Así, conocer el número de mini agujeros negros de una masa dada existente en el cosmos observable es un medio de obtener información sobre los primeros instantes del Universo, más precisamente sobre el espectro de las fluctuaciones de densidad, de la cual depende un modelo de Universo.

¡Sabemos que estas fluctuaciones existieron ya que son responsables de nuestra propia aparición!. Hacen falta en efecto zonas de ligeras sobre densidades de masa al principio de la historia del cosmos para que empiece la condensación de esta materia que desemboque en la formación de las estrellas y de las galaxias. La repartición y las características de las galaxias y de los cúmulos de galaxias en el Universo están en relación directa con la naturaleza de estas fluctuaciones primordiales.


 
Aurélien Barrau en su oficina del Laboratorio de Física Subatómica y Cosmológica en Grenoble (Francia).
© Aurélien Barrau
(pulsar sobre la imagen para ampliarla)



De modo complementario y muy potente, la observación de las fluctuaciones de temperatura en la radiación fósil, es también, portadora de informaciones sobre este espectro de las fluctuaciones de las densidades. Podemos así deducir las limitaciones sobre el modelo de Universo en el cual nos encontramos: si posee una constante cosmológica, si sufrió un período de inflación exponencial como en las teorías de Guth y Linde, si su topología es la de una esfera, de un toro o del dodecaedro de Poincaré como propone Jean-Pierre Luminet, etc.

Detectar y estimar la población de mini agujeros negros, de una masa dada, presentes en el Universo actualmente, es pues la tercera ventana para conocer la naturaleza del Universo primitivo. Es importante para asegurar los fundamentos de la cosmología como ciencia al tener diferentes medios de medición y de estimación concernientes a los fenómenos del origen de la estructura y de la evolución del Universo. La cosmología científica actual muestra por otra parte una notable concordancia entre las estimaciones hechas sobre los valores de componentes del Universo como la energía oscura, la materia oscura, obtenidas por varios instrumentos de observación (supernovas, cúmulos de galaxias, etc.).

Para detectar a esta población, hay que conocer con bastante precisión el espectro de partículas emitidas durante los últimos estadios de evaporación de un mini agujero negro. Estudié este problema con otros colegas, entre los que estuvieron Stanislas Alexeyev, Julien Grain y Panagiota Kanti a lo largo de los años.


F-S: Saber lo que pasa en los últimos estadios de la evaporación de un agujero negro es uno de los grandes problemas de la física y se necesita una teoría de la gravitación cuántica para abordarlo. ¿Utilizó la teoría de cuerdas?

A.B.: Sí. La teoría de la gravitación cuántica de bucles podría por supuesto tener algo que decir pero, por el momento, la teoría de las cuerdas es el mejor instrumento del que disponemos para atacar este problema. No obstante, no la utilizamos directamente en nuestros trabajos. Utilizamos una forma extensa de la teoría de la gravitación de Einstein, que se llama la teoría de Lovelock, así como la presencia de un campo escalar que se llama dilatón1.

De hecho, este tipo de teoría emerge de la teoría de las cuerdas de baja energía cuando la curvatura del espacio-tiempo es grande pero no demasiado próxima a la escala de Planck. Lo mismo que, cuando se acercan a la velocidad de la luz, las ecuaciones de la física clásica deben sufrir correcciones cada vez más importantes dando lugar, por ejemplo, al fenómeno de ralentización del flujo de tiempo. La teoría de las cuerdas predice las correcciones a las ecuaciones de Einstein cuando la intensidad del campo de gravitación, y la curvatura del espacio-tiempo, se vuelven grandes.

En la vecindad del horizonte de un agujero negro estelar, estas correcciones a las ecuaciones de Einstein son absolutamente despreciables pero, cuando se considera un agujero negro acabando de evaporarse y poseyendo pues una masa apenas más grande que la célebre masa de Planck, 10-5 gramos, los efectos de la gravitación cuántica comienzan a hacerse sentir porque la curvatura del espacio a nivel del horizonte del mini agujero negro es muy grande. El tamaño de tal agujero negro es apenas más grande que la menos famosa longitud de Planck. Ciertas formas de la teoría de las cuerdas implican entonces la presencia en los cálculos de un término llamado de Gauss-Bonnet que entraña una modificación de las ecuaciones de Einstein. Este término cuadrático en curvatura es también esperado en muchas otras aproximaciones independientes de las cuerdas y esto contribuye a dar una fuerte credibilidad este tipo de pasos. Hay que resolver las nuevas ecuaciones, y obtenemos entonces una solucióngeneralizante de la de Schwarzschild que describe un agujero negro. Logicamente esta solución es llamada un agujero negro de Gauss-Bonnet.

 

Mientras que obtuvimos este resultado en 2001-2002, resultó que debía existir una masa mínima para tal agujero negro, un poco por encima de la masa de Planck. Un agujero negro evaporándose no debía necesariamente desaparecer completamente y podía existir una "reliquia" estable. Esta posibilidad no era nueva y tiene implicaciones importantes, en particular porque la materia oscura, o por lo menos una fracción de ésta, posiblemente esté constituida de mini agujeros negros de Gauss-Bonnet fósiles, producidos en el momento del Big Bang. Estas reliquias son unos efectos de pura "gravedad cuántica" (o extendida): no son esperadas en la relatividad general usual. Tienen también algo que decir sobre la célebre paradoja de la información de los agujeros negros. Si, en efecto, los agujeros negros se evaporan completamente siguiendo la ley de Hawking, necesariamente violarían la unitariedad de la mecánica cuántica que es uno de los teoremas más fundamentales de nuestra física …


F-S: ¿Es más o menos en ese momento (2001-2002), que aparecieron los trabajos de Steven Giddings y Savas Dimopoulos sobre la posibilidad crear agujeros negros en el LHC?

A.B.: Absolutamente, y esto abrió posibilidades extraordinarias, como la de observar en laboratorio los efectos de la gravitación cuántica que debían estar presentes en el momento del "nacimiento" del Universo observable. Esos trabajos son unas consecuencias directas de las ideas de Roger Penrose y Tom Banks por un lado y Nima Arkani-Ahmed, Savas Dimopoulos y Gia Dvali por el otro, sin olvidar a Lisa Randall y a Raman Sundrum.


 
Aurélien Barrau (izquierda) y Julien Grain.
© Aurélien Barrau
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Los modelos llamados RS y ADD descansan en la existencia de dimensiones espaciales suplementarias y permiten resolver simplemente el problema de la jerarquía de masas. No comprendemos bien porqué el bosón de Higgs, responsable del valor de las masas de las partículas según el modelo estándar, tiene una masa del orden de la centena de GeV mientras que la escala de gravitación cuántica debería ser de 1019 GeV. Entonces, según toda verosimilitud, es ella la que determina de forma fundamental la masa de Higgs. Una de las soluciones encontradas por estos investigadores es que la masa de Planck es mucho más baja de hecho que lo que creemos. Si esta masa es algunos millares de GeV solamente, entonces el problema de la jerarquía desaparece naturalmente.

El corolario inmediato es que no es necesario tener un acelerador del diámetro de la galaxia para realizar experimentos relativos a la gravitación cuántica, ciertamente esto está al alcance de la mano con el LHC. En particular, se vuelve posible producir directamente mini agujeros negros, apenas más pesados que la masa de Planck y estudiar lo que pasa, cómo se evaporan y, por supuesto, si esta evaporación es completa o no.

Es por eso que mis colegas y yo rehicimos nuestros cálculos de evaporación de los mini agujeros negros de Gauss-Bonnet en el marco de estas teorías con dimensiones espaciales suplementarias.


Para saber más:

1- En física teórica, el dilatón designaba el origen de un campo escalar teórico (como el fotón refiere un campo electromagnético), que aparece en la teoría de Kaluza-Klein, como el compuesto g55 del tensor métrico donde "5" es la dirección circular adicional, y obedece a una ecuación ondular no homogénea, generalizando la ecuación de Klein-Gordon, con un campo electromagnético muy fuerte.

Además, en la teoría de cuerdas, el dilatón es una partícula de un campo escalar φ que puede ser visto como el rastro del gravitón; un campo escalar (según la ecuación Klein-Gordon) que viene siempre con la gravedad. Aunque la teoría de cuerdas incorpora naturalmente la teoría Kaluza-Klein, la teoría de cuerdas perturbadora, tales como la teoría de cuerdas de tipo I, la teoría de cuerdas de tipo II y la teoría de cuerdas heteróticas, ya contienen el dilaton en el número máximo de 10 dimensiones. Por otra parte, la teoría M en 11 dimensiones no incluye al dilatón en su espectro.

http://www.astroseti.org/noticia_3481_mini_agujeros_negros_lhc_aprendamos_conocerlos_iii.htm

El colisionador de átomos del CERN de nuevo en funcionamiento
 
El mayor colisionador de partículas del mundo se puso de nuevo en marcha hoy viernes después de que un fallo eléctrico forzara a su detención apenas unos días después de su lanzamiento global, según dijo la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN).

El problema afectó al sistema de enfriamiento de lo imanes de alta potencia diseñados para dirigir los chorros de partículas alrededor del túnel circular de 27 kilómetros del Gran Colisionador de Hadrones.

El portavoz del CERN, James Gillies, dijo a AFP que un transformador de 30 toneladas en el sistema de enfriamiento falló durante el jueves de la semana pasada y se ha necesitado una semana para reemplazar el equipo y lograr que las temperaturas volviesen al estado requerido.

Los imanes de dirección del túnel del LHC están congelados a -271 grados Celsius, que es casi el cero absoluto y más frío que es espacio exterior.

“En términos comunes, el LHC es un gran frigorífico, y parte del suministro de energía falló”, dijo.

El LHC, que necesitó casi 20 años para completarse y 6000 millones de francos suizos (3760 millones de euros, 5460 millones de dólares), es uno de los experimentos científicos más costosos y complejos jamás intentado.

Tiene como objetivo resolver algunas de las mayores cuestiones sobre la materia fundamental, tales como, cómo adquieren masa las partículas o cómo se forjaron en el “Big Bang” que creó el universo hace unos 13700 millones de años.

El encendido del 10 de septiembre vio la prueba de un rayo en sentido horario, y luego otro en sentido antihorario. Las primeras colisiones no se esperan durante las próximas semanas, dado el largo proceso de pruebas del equipo del LHC.

Gillies dijo que a pesar del contratiempo, el LHC no tiene retraso en su planificación

La máquina del 'Big Bang' estará parada durante dos meses al sufrir una avería
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) comenzó a funcionar el pasado día 10
Se considera el mayor experimento científico del siglo


GINEBRA.- El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) que comenzó a funcionar el pasado día 10 en lo que debe ser el mayor experimento científico del siglo, estará fuera de servicio durante al menos dos meses debido a una fuga de helio, según ha informado el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN).

En una nota, el CERN ha señalado que el viernes se produjo una fuga de helio en un sector del túnel del LHC, debido al parecer a una conexión eléctrica defectuosa entre dos imanes, lo que causó un fallo mecánico.`

"En ningún momento hubo riesgo para las personas", según el CERN, que señaló que se ha abierto una investigación completa sobre el incidente. Las reparaciones implicarán un retraso de "un mínimo de dos meses" en las operaciones del LHC, según el comunicado

enlace ala noticia

http://www.reporteindigo.com/web/piensa/edicion100/

Como se averíe cuando colisionen los hadrones... 

Como se averíe cuando colisionen los hadrones... 

Lo peor que pasaria en ese caso,fallo del sistema de refrigeracion, seria una explosion ,por eso esta situado bajo tierra el aparato.

El fallo que paralizó la máquina del 'Big Bang' se debió a un error humano
El problema se debió a una ensambladura mal colocada en el acelerador
http://elmundo.es/elmundo/2008/10/06/ciencia/1223319733.html

Eso con una patada, siguiendo la táctica rusa, se soluciona

A ver si funciona bien, porque puede der respuesta a preguntas apasionantes.

Hay varios videos en youTube sobre el aparato, os recomiendo el canal de ianusatella.

Fisicos crean BlackMax,un simulador de agujeros negros


Un simulador de agujeros negros para buscar pruebas de dimensiones extra en el espacio en el mundialmente famoso Gran Colisionador de Hadrones.

Un equipo de físicos teóricos y experimentadores, con participantes de la Universidad de Case Western Reserve, han diseñado un nuevo simulador de agujeros negros llamado BlackMax para buscar pruebas de que las dimensiones extra podrían existir en el universo.

La información sobre la creación de BlackMax se ha publicado en Physical Review Letters en el artículo, “BlackMax: A Black-Hole Event Generator with Rotation, Recoil, Split Branes and Brane Tension“.

Los agujeros negros se teoriza que son regiones del espacio en los que el campo gravitatorio es tan fuerte que nada puede escapar de su tirón tras cruzar el conocido como horizonte de eventos. BlackMax simula estas regiones.

Con aproximadamente dos años de tiempo de creación, el programa de ordenador permite a los físicos comprobar sus teorías sobre la producción y decaimiento de agujeros negros y tener en cuenta los nuevos tipos de efectos tanto en la creación como en la evaporación de agujeros negros en el nuevo Gran Colisionador de Hadrones (LHC) actualmente poniéndose en marcha en el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra, Suiza.

Por ejemplo, los agujeros negros creados en el LHC se esperaría que empezaran girando.

El giro de los agujeros negros incrementa la fracción de masa del agujero negro que se disipa como cuantos de gravedad de gravitones elementales, lo cual podría usarse para dar una pista de la existencia y estructura de las dimensiones extra. Los agujeros negros están siendo estudiados con BlackMax por miembros del experimento ATLAS del LHC, uno de los dos grandes detectores de partículas principales en el nuevo colisionador. Los físicos de Case Western Reserve trabajando junto con Glenn Starkman en el proyecto, son su antiguo estudiante de doctorado Dejan Stojkovic, ahora profesor visitante de la plantilla de la Universidad Estatal de Nueva York (SUNY) en Buffalo, y De-Chang Dai, quien recientemente se graduó con un título de doctorado en física, y que ahora es profesor de posdoctorado trabajando junto a Stojkovic. Otros colaboradores son los físicos experimentales Cigdem Issever y Jeff Tseng de la Universidad de Oxford y Eram Rizvi del Colegio Queen Mary en la Universidad de Londres.

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ATLAS trabaja de forma muy similar a los investigadores que buscan en el lugar del accidente de un avión, y luego recomponen los trozos para descubrir la causa de la desintegración del avión.

BlackMax, prediciendo cómo caerán estos trozos, permitiría a los físicos observar los datos del experimento ATLAS para ver si los patrones de partículas liberados en el detector encajarían con lo que se esperaría cuando se genera y más tarde se deshace un agujero negro. Las colisiones no gravitatorias comunes predichas por el Modelo Estándar de la física de partículas tienden a producir fragmentos del protón agrupados en un pequeño número de chorros. El caimiento de los agujeros negros debería producir más partículas de lo habitual. Estas partículas también aparecerían inusualmente isotrópicas — en todas direcciones — y la mezcla de partículas debería ser más democrática – incluyendo por ejemplo electrones y partículas similares que no se encuentran dentro del protón. Bajo ciertas circunstancias, el decaimiento de los agujeros negros debería también producir muchos gravitones que pasarían inadvertidos fuera de ATLAS, pero los cuales harían que las restantes partículas emitidas parecieran asimétricas y portando menos energía que la del evento completo.

Starkman dijo que si se encuentran agujeros negros en el LHC esto permitirá a los científicos comprender la conexión entre gravedad y mecánica cuántica, resolviendo la inconsistencia entre dos de los grandes triunfos intelectuales del Siglo XX – la mecánica cuántica y la Teoría de la Relatividad General de Einstein. Esto también significaría la existencia de otras dimensiones del espacio, y explicaría por qué la gravedad es una fuerza tan débil comparada con las otras tres fuerzas fundamentales de la naturaleza –electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte.

De acuerdo con Starkman, los agujeros negros bajo estudio en el LHC serían muy pequeños, extremadamente calientes a más de miles de millones de veces la temperatura del Sol, y su tiempo de vida sería, consecuentemente, tan corto que decaerían en diminutas fracciones de un segundo tras su creación.

Añade que no hay tiempo suficiente para que el agujero negro cruce un cabello humano, “ni pensar que abandone el detector”, comentó.

“Lo que es más importante es que el universo ha estado haciendo estos experimentos durante miles de millones de años bombardeando la atmósfera de la Tierra (por no mencionar la miríada de estrellas) con rayos cósmicos. Por lo que sabemos que si se crean agujeros negros en el LHC, serán completamente seguros”, dijo Starkman.