¿El Supercollider Más Grande Del Mundo Generará Un Agujero Negro? (Op-Ed)

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Al igual que las escenas de the flash de dc comics, persisten los rumores sobre los aceleradores de partículas que generan desastres en el final de la tierra, pero hay razones concretas por las cuales los físicos en el universo real no están perdiendo el sueño.

Don Lincoln es un científico principal del Fermilab del Departamento de Energía de los Estados Unidos, la institución de investigación más grande de los Estados Unidos, Gran Colisionador de Hadrones. También escribe sobre ciencia para el público, incluido su reciente "El Gran Colisionador de Hadrones: La historia extraordinaria del Higgs Boson y otras cosas que harán volar tu mente" (Johns Hopkins University Press, 2014). Puedes seguirlo en facebook. Las opiniones aquí son las suyas. Lincoln contribuyó con este artículo a WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

La ciencia de vanguardia es una exploración de lo desconocido; Un paso intelectual hacia la frontera del conocimiento humano. Dichos estudios proporcionan una gran emoción para quienes nos apasiona entender el mundo que nos rodea, pero algunos temen lo desconocido y se preguntan si la ciencia nueva y poderosa, y las instalaciones donde se explora, podrían ser peligrosas. Algunos incluso llegan a preguntarse si uno de los proyectos de investigación más ambiciosos de la humanidad podría suponer una amenaza existencial para la Tierra. Entonces hagamos esa pregunta ahora y salgamos del camino.

¿Puede un supercolider acabar con la vida en la Tierra? No claro que no.

Pero no es realmente una pregunta tonta para las personas que no lo han pensado cuidadosamente. Después de todo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y poderoso del mundo, es explícitamente un instrumento de exploración, diseñado para hacer retroceder las fronteras de la ignorancia. No es tan irrazonable preguntarte cómo sabes que algo no es peligroso si nunca lo has hecho antes. Entonces, ¿cómo puedo decir con tanta confianza que el LHC es completamente seguro?

Bueno, la respuesta corta es que los rayos cósmicos del espacio golpean constantemente a la Tierra con energías que empequeñecen a las del LHC. Dado que la Tierra todavía está aquí, no puede haber peligro, o eso dice el razonamiento.

Y esa podría ser la historia final, pero el relato es mucho más rico de lo que una respuesta breve (pero muy precisa) lo llevaría a creer. Entonces, profundicemos un poco más en lo que hace que algunos sospeche un peligro, y luego exploremos una descripción bastante detallada del punto y el contrapunto involucrados en la entrega de una respuesta sólida y satisfactoria a la pregunta.

¿Puede el LHC crear un agujero negro asesino de la Tierra?

Los escépticos han propuesto que el LHC produciría muchos peligros posibles, que van desde el vago temor a lo desconocido hasta algunos que son extrañamente específicos.

La más comúnmente mencionada es la idea de que el LHC puede hacer un agujero negro. En la literatura popular, los agujeros negros son monstruosidades voraces del universo, que se tragan todo lo que les rodea. Dada esta descripción, no es del todo irrazonable que la gente se pregunte si un agujero negro creado por el LHC podría alcanzar y destruir el acelerador, el laboratorio, luego Suiza, Europa y finalmente la Tierra. Este sería un escenario aterrador, si fuera creíble, pero no lo es.

Lo que sigue a continuación son las razones más débiles (pero aún así convincentes) de por qué esta posibilidad es, bueno, no es posible, y en la siguiente sección verá las razones de hierro fundido y chapado en oro para descartar este y todos los demás posibles escenarios de la Tierra.

La primera pregunta es si se puede crear un agujero negro en el LHC. Por desgracia, cuando observamos toda la evidencia científica y usamos nuestra comprensión más moderna de las leyes del universo, no hay forma de que el LHC pueda hacer un agujero negro. La gravedad es simplemente demasiado débil para que esto ocurra.

Algunos escépticos protestan porque una explicación de la debilidad de la gravedad es que existen pequeñas dimensiones adicionales del espacio. De acuerdo con esa teoría, la gravedad es realmente fuerte y solo parece ser débil porque la gravedad puede "filtrarse" en las dimensiones adicionales. Una vez que comencemos a explorar esas pequeñas dimensiones, la fuerte gravedad tal vez podría hacer un agujero negro. Lamentablemente para los aficionados a los agujeros negros, nadie ha encontrado evidencia de la existencia de dimensiones adicionales, y si no existen, el LHC no puede hacer agujeros negros.

Así que toda la idea subyacente de ese posible peligro en particular está construida sobre una posibilidad remota. Sin embargo, incluso en el improbable caso de que las dimensiones adicionales sean reales y se pueda crear un agujero negro, hay una buena razón para no preocuparse por los agujeros negros que dañan la Tierra.

El escudo contra ese hipotético peligro es la radiación de Hawking. Propuesto en 1974 por Steven Hawking, la radiación de Hawking es esencialmente la evaporación de un agujero negro causada por sus interacciones con partículas creadas en la vecindad del agujero. Mientras que los agujeros negros absorberán el material circundante y crecerán, un agujero negro aislado perderá masa lentamente.

El mecanismo es un mecanismo cuántico, que involucra pares de partículas que se forman cerca de la superficie del agujero. Una partícula entrará en el agujero, pero la otra escapará y se llevará la energía. Dado que, según la teoría de la relatividad general de Einstein, la energía y la masa son las mismas, este proceso tiene el efecto de disminuir muy lentamente la masa del agujero negro. Aunque una partícula entra en el orificio, la pérdida de la otra causa que el orificio se evapore lentamente. Este es un punto difícil. La mayoría de la gente piensa que un agujero negro es la masa en el centro, pero en realidad es tanto la masa en el centro como la energía almacenada en el campo gravitatorio.La partícula que se dirige hacia el centro se está moviendo en el agujero negro, mientras que la partícula que se mueve se escapa por completo del agujero negro. Tanto la masa de la partícula que se escapa como la energía que transporta se pierden en el agujero negro, lo que reduce la energía de todo el sistema del agujero negro.

Y la velocidad a la que se evapora un agujero es una función importante del tamaño del agujero. Un gran agujero negro perderá energía muy lentamente, pero uno pequeño se evaporará en un abrir y cerrar de ojos. De hecho, cualquier agujero negro que pueda hacer el LHC, a través de cualquier teoría posible, desaparecerá antes de que pueda acercarse a cualquier otro asunto para engullirlo.

Una simulación de una colisión de partículas dentro del Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más grande del mundo cerca de Ginebra, Suiza. Cuando dos protones chocan dentro de la máquina, crean una explosión energética que da lugar a partículas nuevas y exóticas.

Una simulación de una colisión de partículas dentro del Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más grande del mundo cerca de Ginebra, Suiza. Cuando dos protones chocan dentro de la máquina, crean una explosión energética que da lugar a partículas nuevas y exóticas.

Crédito: CERN

Extraños extraños

Otro peligro propuesto es una cosa llamada strangelet. Un strangelet es una partícula subatómica hipotética compuesta de aproximadamente un número igual de quarks up, down y extraños.

Ten en cuenta que no hay pruebas de que los extraños sean algo más que una idea nacida en la fértil imaginación de un físico teórico. Pero, si existen, la afirmación es que un strangelet es esencialmente un catalizador. Si afecta a la materia ordinaria, hará que la materia que toca también se convierta en un extraño. Siguiendo la idea hasta su conclusión lógica, si se fabricara un extraño en la Tierra, el planeta entero se colapsaría en una bola de materia hecha de desconocidos... como si convirtiera a la Tierra en una versión exótica de una estrella de neutrones. Esencialmente, un extraño puede ser considerado como un zombie subatómico; Una que convierte todo lo que toca en un zombie desconocido.

Pero no hay evidencia de que los desconocidos sean reales, por lo que podría ser suficiente para evitar que algunas personas se preocupen. Sin embargo, aún es cierto que el LHC es una máquina de descubrimiento y tal vez podría realmente hacer un extraño... bueno, si realmente existe. Después de todo, los desconocidos no han sido descartados definitivamente y algunas teorías los favorecen. Sin embargo, un acelerador de partículas anterior llamado Relativistic Heavy Ion Collider fue a buscarlos y apareció vacío.

Esas son solo dos ideas de cómo un supercollider podría representar una amenaza, y hay más. Podríamos enumerar todos los peligros posibles, pero hay algo más inquietante a tener en cuenta: ya que no sabemos qué sucede cuando comenzamos a estudiarlo con energías que solo es posible con el LHC (es decir, por supuesto, el punto de construir el acelerador), tal vez suceda algo que nunca fue predicho. Y, dada nuestra ignorancia, tal vez ese fenómeno inesperado podría ser peligroso.

Y es la última preocupación que podría haber sido tan preocupante para los creadores del LHC. Cuando no sabes lo que no sabes, tú... bueno... no lo sabes. Tal pregunta requiere una respuesta poderosa y definitiva. Y aquí está…

¿Por qué el LHC es totalmente seguro?

Dada la naturaleza exploratoria del programa de investigación de LHC, lo que se necesita es una razón sólida que demuestre que la instalación es segura, incluso si nadie sabe con qué se puede encontrar el LHC.

Los agujeros negros son regiones extrañas donde la gravedad es lo suficientemente fuerte como para doblar la luz, deformar el espacio y distorsionar el tiempo.

Los agujeros negros son regiones extrañas donde la gravedad es lo suficientemente fuerte como para doblar la luz, deformar el espacio y distorsionar el tiempo.

Crédito: Karl Tate / Space.com

Afortunadamente, tenemos la respuesta más convincente de todas: la naturaleza ha estado ejecutando el equivalente de innumerables experimentos de LHC desde que comenzó el universo, y aún lo hace, todos los días, en la Tierra.

El espacio es un lugar violento, con estrellas que arrojan literalmente toneladas de material a cada segundo, y eso es lo más insólito de los fenómenos. Ocurren supernovas, explosiones de estrellas a través del cosmos. Las estrellas de neutrones pueden usar campos magnéticos intensos para acelerar las partículas de un lado del universo a otro. Los pares de agujeros negros en órbita se pueden fusionar, sacudiendo el tejido mismo del espacio.

Todos esos fenómenos, así como muchos otros, hacen que las partículas subatómicas sean arrojadas a través del espacio. En su mayoría consisten en protones, esas partículas viajan a lo largo del universo, deteniéndose solo cuando un poco de materia inconveniente se interpone en su camino.

Y, en ocasiones, ese inconveniente de la materia es la Tierra. Llamamos a estas balas intergalácticas, en su mayoría protones de alta energía, "rayos cósmicos". Los rayos cósmicos llevan un rango de energías, desde las casi insignificantes, hasta energías que enanangan absolutamente a las del LHC.

Para dar un sentido de escala, el LHC colisiona partículas con una energía total de 13 billones (o tera) de voltios de energía (TeV). El rayo cósmico de mayor energía jamás grabado fue un insostenible 300,000,000 TeV de energía.

Ahora, los rayos cósmicos de esa prodigiosa energía son muy raros. La energía de los rayos cósmicos más comunes es mucho menor. Pero aquí está el punto: los rayos cósmicos de la energía de un solo haz de LHC golpean la Tierra aproximadamente medio billón de veces por segundo. No es necesario colisionador.

Recuerda que los rayos cósmicos son en su mayoría protones. Esto se debe a que casi toda la materia en el universo es hidrógeno, que consiste en un solo protón y un solo electrón. Cuando golpean la atmósfera de la Tierra, chocan con nitrógeno u oxígeno u otros átomos, que están compuestos de protones y neutrones. En consecuencia, los rayos cósmicos que golpean la Tierra son solo dos protones que chocan entre sí: esto es exactamente lo que está sucediendo dentro del LHC. Dos protones golpeando juntos.

Por lo tanto, el aluvión de rayos cósmicos desde el espacio ha estado haciendo el equivalente a la investigación de LHC desde que comenzó la Tierra, simplemente no hemos tenido el lujo de poder ver.

Ahora hay que tener cuidado. Es fácil tirar los números con un poco de dificultad.Si bien hay muchos rayos cósmicos que golpean la atmósfera con energías de LHC, las situaciones entre lo que sucede dentro del LHC y lo que sucede con los rayos cósmicos en todo el mundo son un poco diferentes.

Las colisiones de rayos cósmicos involucran protones de movimiento rápido que golpean a los estacionarios, mientras que las colisiones de LHC involucran dos haces de protones de movimiento rápido que golpean de frente. Las colisiones de frente son intrínsecamente más violentas; por lo tanto, para hacer una comparación justa, debemos considerar los rayos cósmicos que son mucho más altos en energía, específicamente unas 100,000 veces más que las energías LHC.

Los rayos cósmicos de esa energía son más raros que los de menor energía, pero aún así 500,000,000 de ellos golpean la atmósfera de la Tierra cada año.

Cuando recuerdas que la Tierra tiene 4.5 billones de años, te das cuenta de que la Tierra ha experimentado algo así como 2 billones de billones de colisiones de rayos cósmicos con energías equivalentes a LHC (o superiores) en la atmósfera desde que se formó la Tierra. Para realizar tantas colisiones, tendríamos que ejecutar el LHC continuamente durante 70 años. Dado que todavía estamos aquí, podemos concluir que estamos a salvo.

Pero para estar absolutamente seguro...

El argumento de los rayos cósmicos es fantástico, ya que es independiente de cualquier posible peligro de LHC, incluidos los que aún no hemos imaginado. Sin embargo, hay una laguna que potencialmente reduce la fuerza del argumento. Debido a que las colisiones de rayos cósmicos se producen entre un protón estacionario y un movimiento rápido, la partícula "peligrosa" (lo que sea que sea) se produce a alta velocidad y puede dispararse fuera de la Tierra antes de que tenga tiempo de dañarla. (Es como en el billar cuando una bola de referencia golpea a otra bola. Después del impacto, al menos una, y con frecuencia ambas, salen volando). En contraste, las vigas del LHC chocan de frente, haciendo objetos estacionarios. (Piensa en dos autos idénticos con velocidades idénticas golpeando de frente). Tal vez se queden y causen una carnicería en el mundo.

Pero hay una respuesta a eso también. Escogí la Tierra porque es cercana y querida para nosotros, pero la Tierra no es lo único que recibe los rayos cósmicos. El sol también es golpeado; y cuando un rayo cósmico golpea el sol, puede hacer un producto "peligroso" de alta energía, pero ese producto tiene que viajar a través de una cantidad mucho mayor de materia. Y esto no tiene en cuenta que el sol está mucho más grande que la Tierra, por lo que experimenta muchas más colisiones de alta energía que nuestro planeta.

Además, podemos ampliar el número de objetivos cósmicos para incluir estrellas de neutrones, que consisten en materia tan densa que cualquier cosa potencialmente peligrosa que podamos considerar se detendrá en la estrella de neutrones justo después de que se fabrique. Y sin embargo, el sol y las estrellas de neutrones que vemos en el universo todavía están allí. No han desaparecido.

Seguridad garantizada!

Así que ese argumento es el resultado final. Cuando preguntas si el LHC es seguro, debes darte cuenta de que el universo ya ha hecho los experimentos por nosotros.

Si usted es un experto de actualidad, investigador, líder empresarial, autor o innovador, y desea contribuir con un artículo de opinión, envíenos un correo electrónico aquí.

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Los rayos cósmicos golpean la Tierra, el sol, otras estrellas y toda la multitud de habitantes del universo con energías que superan con creces a las del LHC. Esto sucede todo el tiempo. Si hubiera algún peligro, veríamos algunos de estos objetos desapareciendo ante nuestros ojos. Y sin embargo no lo hacemos. Por lo tanto, podemos concluir que cualquier cosa que suceda en el LHC, plantea de manera exacta, precisa, indiscutible, cero peligro. Y no puedes olvidar el punto crucial de que este argumento funciona para todos los peligros concebibles, incluyendo aquellos que nadie ha imaginado todavía.

Entonces, habiendo establecido la férrea seguridad del LHC, ¿entonces qué? Bueno, absolutamente esperamos que nosotros hacer Haga agujeros negros en el LHC, como se explicó, serían pequeños y no engullirían el planeta. Si vemos pequeños agujeros negros, habremos descubierto por qué la gravedad parece tan débil. Probablemente habremos establecido que existen dimensiones extras del espacio. Estaremos mucho más cerca de encontrar una teoría de todo, una teoría que sea tan persuasiva, simple y concisa que podamos escribir su ecuación en una camiseta.

Si bien ahora estamos seguros de que el LHC es completamente seguro, es absolutamente cierto que la pregunta de seguridad fue importante para que los científicos la investiguen. De hecho, todo el ejercicio fue satisfactorio, ya que utilizó los mejores principios científicos para llegar a una conclusión definitiva de que todos pueden estar de acuerdo en que es válido. Así que ahora podemos hacer retroceder los límites de nuestra ignorancia, con solo nuestra creciente excitación ante la perspectiva de un descubrimiento que nos distraiga.

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Suplemento De Vídeo: A theory of everything | Garrett Lisi.




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