Física de Partículas : Big Bang, temperatura, energía y LHC

Aunque no pudiera parecer o no lo hayáis pensado nunca, el espacio es muy frío (alejado de estrellas y planetas). La temperatura que os encontrarías sería alrededor de 3 Kelvin o lo que es lo mismo unos -270 grados Celsius.  Esta temperatura es causada por el llamado fondo de microondas, que se inunda el universo. Esta radiación de microondas es el remanente del Big Bang que tuvo lugar hace unos 13.700 millones de años (ver foto). La forma en que esta radiación de fondo fue descubierta es una historia de un descubrimiento por accidente, aunque las cosas noson realmente nunca por puro accidente. Arno Penzias y Robert Wilson estaban experimentando con una nueva antena de gran precisión en Bell Labs, cuando al medir encontraron con un ruido de estática que no conseguían evitar y aparecía apuntaran donde apuntaran. En su afán por deshacerse del ruido parece que incluso limpiaron la antena de los regalos de las palomas. Después cuando empezaron a investigar sobre este ruido y con la ayuda de un amigo del MIT llegaron a la conclusión de que la señal además de ser real era el remanente del Big Bang.

La teoría del Big Bang nos dice que en un tiempo en el pasado toda la energía estaba concentrada en un punto cuya explosión dio lugar al universo conocido. Si retrocedemos desde el momento actual hasta momentos antes del Big Bang tenemos que la energía cada vez esta mas concentrada, y aquí es donde es importante entender la relación entre energía y temperatura.

A nivel microscópico, la temperatura es una medida de la energía cinética de las partículas que forman el gas ( cuerpo, etc. ). A una temperatura le corresponde una energía de las partículas. A temperatura ambiente la energía de las partículas es de 1/40 eV. ¿Qué es un eV? Un electronvoltio (eV) es la energía que adquiere un electrón al ser acelerado por una diferencia de potencial de un voltio. ¿Cuanto es un eV? 1 eV es igual a 1.6 × 10^-19 Julios. Esta energía es realmente minúscula, si dejamos caer una mandarina desde 1 metro de altura, la energía que adquirida por esta es de 1 Julio.

A temperatura ambiente con fracciones de eV, los electrones de muchas moléculas pueden escapar de estas. Es lo mismo que sucedería si lanzáramos con suficiente energía un cohete, si le damos bastante energía conseguiría escapar de la gravedad. Si quisiéramos liberar al átomo de Hidrógeno de su único electrón, necesitaríamos 1 eV o lo que es lo mismo deberíamos aumentar la temperatura al menos hasta 10000 grados Kelvin. En la tierra no se encuentran naturalmente estas condiciones, sin embargo en el sol con una temperatura de 10⁷ Kelvin, no pueden existir los átomos de Hidrógeno, los electrones se liberan de los átomos.

Si miramos hacia atrás en el tiempo, la energía del universo estaba más concentrada o lo que es lo mismo la temperatura aumenta (ver imagen). Hace unos 300.000 años la temperatura del universo era de unos 10000 Kelvin, en estas condiciones los átomos de Hidrógeno lo tenían difícil para existir sin que se les escaparan los electrones.  Unos tres minutos después del Big Bang (justo después del Big Bang), la temperaturas eran de unos 10¹⁰ Kelvin. Esta energía podía producir pares partícula-antipartícula (la famosa ecuación de Einsten E = mc²), se creaban pares electrón-positrón, esto requiere una energía de 1 millón de eV (MeV), la mitad por partícula.

Cuando llegamos a 2000 millones de eV se pueden crear protón y antiprotón. Alrededor de una millonésima de segundo después del Big Bang, la temperatura era mayor de 10¹⁶ K, es decir 1 billón de eV (TeV). A estas energías se creaban pares partícula-antipartícula mucho mas exóticos, muchos de ellos con tiempos de vida muy cortos y ya no existen hoy en la naturaleza. Estas partículas se desintegraron en otras partículas estables que son las que tenemos hoy en la naturaleza. Estas son las energías que se estudian en el acelerador del CERN en Ginebra. Al acercarnos al Big Bang, los núcleos dejan de ser estables (por la misma razón que comentábamos con los átomos de Hidrógeno), por debajo de la millonésima de segundo después del Big Bang, los protones y los neutrones se descomponen en sus constituyentes los quarks.

La energía por protón que se consigue en el acelerador LHC es fabulosa, la mayor conseguida jamás en un acelerador, pero queda  muy muy por debajo de la mandarina en caída libre. ¿Porqué entonces no se chocan mandarinas? Bueno, la mayor diferencia es que la energía cinética de la mandarina está distribuida por todos sus átomos. En el acelerador son los protones los que llevan los 8 TeV de energía, los protones/neutrones de la mandarina ‘adquirirían’ una energía durante la caída que es tan solo una fracción de eV. Cuando chocan los protones en el acelerador la energía es suficiente conseguir recrear las condiciones que se tenían momentos justo después del Big Bang, los TeV mencionados anteriormente, creando las partículas extrañas que tan solo existieron en un corto intervalo de tiempo. Estas partículas como veremos en otras entradas son necesarias para entender el modelo de la física de partículas.