El Gran Colisionador de Hadrones juega con la famosa ecuación de Albert Einstein, E =mc ² , para transformar la materia en energía y luego de nuevo en diferentes formas de materia. Pero en raras ocasiones, puede saltarse el primer paso y chocar con energía pura, en forma de ondas electromagnéticas.

El año pasado, el experimento ATLAS en el LHC observó dos fotones, partículas de luz, rebotando entre sí y produciendo dos nuevos fotones. Este año, han llevado esa investigación un paso más allá y han descubierto que los fotones se fusionan y se transforman en algo aún más interesante:los bosones W, partículas que llevan la fuerza débil, que gobierna la desintegración nuclear.

Esta investigación no solo ilustra el concepto central que rige los procesos dentro del LHC:que la energía y la materia son dos caras de la misma moneda. También confirma que a energías suficientemente altas, las fuerzas que parecen estar separadas en nuestra vida cotidiana, el electromagnetismo y la fuerza débil, están unidas.

De sin masa a masiva

Si intentas replicar este experimento de colisión de fotones en casa cruzando los rayos de dos punteros láser, no podrás crear nuevos, partículas masivas. En lugar de, Verá que los dos rayos se combinan para formar un rayo de luz aún más brillante.

"Si regresa y observa las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo clásico, Verás que dos olas que chocan suman una ola más grande, "dice Simone Pagan Griso, investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. "Solo vemos estos dos fenómenos observados recientemente por ATLAS cuando juntamos las ecuaciones de Maxwell con la relatividad especial y la mecánica cuántica en la llamada teoría de la electrodinámica cuántica".

Dentro del complejo de aceleradores del CERN, los protones se aceleran cerca de la velocidad de la luz. Sus formas normalmente redondeadas se aplastan a lo largo de la dirección del movimiento cuando la relatividad especial reemplaza las leyes clásicas del movimiento para los procesos que tienen lugar en el LHC. Los dos protones entrantes se ven como panqueques comprimidos acompañados de un campo electromagnético igualmente comprimido (los protones están cargados, y todas las partículas cargadas tienen un campo electromagnético). La energía del LHC combinada con la contracción de la longitud aumenta la fuerza de los campos electromagnéticos de los protones en un factor de 7500.

Cuando dos protones se rozan, sus campos electromagnéticos aplastados se cruzan. Estos campos se saltan la etiqueta clásica de "amplificación" que se aplica a bajas energías y, en cambio, siguen las reglas descritas por la electrodinámica cuántica. A través de estas nuevas leyes, los dos campos pueden fusionarse y convertirse en la "E" en E =mc².

"Si lee la ecuación E =mc² de derecha a izquierda, verá que una pequeña cantidad de masa produce una gran cantidad de energía debido a la constante c², que es la velocidad de la luz al cuadrado, "dice Alessandro Tricoli, investigador del Laboratorio Nacional de Brookhaven, la sede en EE. UU. del experimento ATLAS, que recibe fondos de la Oficina de Ciencias del DOE. "Pero si miras la fórmula al revés, verá que necesita comenzar con una gran cantidad de energía para producir incluso una pequeña cantidad de masa ".

El LHC es uno de los pocos lugares de la Tierra que puede producir y colisionar fotones energéticos, y es el único lugar donde los científicos han visto dos fotones energéticos fusionarse y transformarse en bosones W masivos.

Una unificación de fuerzas

La generación de bosones W a partir de fotones de alta energía ejemplifica el descubrimiento que ganó Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg, el Premio Nobel de Física de 1979:a altas energías, el electromagnetismo y la fuerza débil son lo mismo.

La electricidad y el magnetismo a menudo se sienten como fuerzas separadas. Normalmente, uno no se preocupa por recibir una descarga eléctrica al manipular un imán de refrigerador. Y bombillas incluso mientras está iluminado con electricidad, no se pegue a la puerta del frigorífico. Entonces, ¿por qué las estaciones eléctricas tienen letreros que advierten sobre sus altos campos magnéticos?

"Un imán es una manifestación del electromagnetismo, y la electricidad es otra, "Dice Tricoli." Pero son todas ondas electromagnéticas, y vemos esta unificación en nuestras tecnologías cotidianas, como los teléfonos móviles que se comunican a través de ondas electromagnéticas ".

A energías extremadamente altas, el electromagnetismo se combina con otra fuerza fundamental:la fuerza débil. La fuerza débil gobierna las reacciones nucleares, incluida la fusión del hidrógeno en helio que alimenta el sol y la desintegración de los átomos radiactivos.

Así como los fotones transportan la fuerza electromagnética, los bosones W y Z llevan la fuerza débil. La razón por la que los fotones pueden colisionar y producir bosones W en el LHC es que a las energías más altas, esas fuerzas se combinan para hacer la fuerza electrodébil.

"Tanto los fotones como los bosones W son portadores de fuerza, y ambos llevan la fuerza electrodébil, "Dice Griso." Este fenómeno está sucediendo realmente porque la naturaleza es mecánica cuántica ".