Veure la cosa més petita possible

L’aparent immutabilitat del nostre Univers és només una il·lusió òptica creada per les inabastables escales còsmiques i el nostre punt de vista tan limitat en l’espai i el temps. En realitat, ens trobem en un Univers dinàmic que s’expandeix a un ritme vertiginós i en totes direccions.

Si avui l’Univers s’expandeix, significa que en el passat tot estava més condensat. I si retrocedim prou en el temps, trobarem que fa 13.800 milions d’anys tot el que avui coneixem del cosmos estava comprimit en un espai molt més petit que un àtom. Les lleis de la natura que avui governen els àtoms són les que, temps enrere, governaven tot l’Univers. És per això que comprendre com és la matèria en el seu nivell més íntim i fonamental no només proporciona informació sobre l’estructura del món subatòmic sinó que facilita una imatge de l’Univers a gran escala.

L’evolució de la visió dels àtoms ha anat canviant al llarg de la història. Al segle 5 aC, Demòcrit, d’una manera més pròxima a la filosofia que a la ciència, va teoritzar que la matèria havia d’estar composta per elements indivisibles. Però no va ser fins a mitjans del segle XX, gràcies als avenços teòrics i experimentals, que es va aconseguir crear una representació prou acurada del que passa a l’interior de la matèria. D’aquí s’arriba a la imatge actual del món subatòmic, una imatge regida per l'antiintuïció que proporciona la mecànica quàntica. Àtoms i partícules estan lluny de ser simplement boletes molt petites. Més aviat estan en un estat difús i indefinit quan no els observem, i és el mateix acte d’observar-los que els empeny a definir-se en una posició determinada.

Però ¿realment es poden veure els àtoms i les partícules subatòmiques?

Entrar al microcosmos

Tal com passa amb la mateixa naturalesa de les partícules, en el món microscòpic el concepte veure també es torna una cosa difusa. La imatge més acurada que es pot crear del món subatòmic passa necessàriament per entendre quins són exactament els blocs fonamentals que el componen i com interaccionen entre ells. Tot i que aquestes interaccions fonamentals es produeixen constantment a la natura, es necessita disposar d’un entorn on es puguin propiciar de manera controlada. Això requereix grans màquines per fer col·lidir partícules, cosa que permet explorar interaccions que van més enllà de les que trobem habitualment al nostre entorn.

Aquest és el cas de l’experiment més gran que s’ha construït mai: el Gran Col·lisionador d’Hadrons o LHC (de les sigles angleses Large Hadron Collider). L’LHC és un accelerador de partícules de 27 quilòmetres de circumferència on s’acceleren protons (partícules de càrrega positiva que, juntament amb els neutrons, formen els nuclis atòmics) en els dos sentits fins a una velocitat molt pròxima a la de la llum i es fan col·lidir en quatre punts diferents. En aquests punts hi ha detectors de partícules, que són com grans càmeres fotogràfiques de la mida d’un edifici de set plantes i que enregistren al detall les traces que deixen les noves partícules generades després de les col·lisions a un ritme de sis-cents milions de vegades cada segon.

El que passa en cadascuna d’aquestes col·lisions és extremament complex. L’energia de les partícules inicials serveix com a moneda de canvi per crear-ne de noves. Analitzar el ritme al qual es generen aquestes noves partícules permet entendre quines regles governen el procés, sempre amb l’esperança de trobar anomalies que indiquin la influència d’un fenomen desconegut fins aleshores i es faci un descobriment nou.

Un model incomplet

Gràcies a experiments com l’LHC, els físics han pogut elaborar el model estàndard de la física de partícules, que estableix que la matèria ordinària està formada únicament per dotze elements (sis quarks i sis leptons) i tres interaccions fonamentals (les forces nuclear dèbil, nuclear forta i electromagnètica), cadascuna amb les seves partícules mediadores (els bosons W i Z, el gluó i el fotó, respectivament). El model es completa amb el bosó de Higgs, descobert precisament l’any 2012 a l’LHC, que ens dona pistes sobre la natura del buit i proporciona massa a la resta de partícules.

Però el quadre del cosmos està lluny d'estar acabat. Tot i que el model estàndard és un dels grans èxits de l’intel·lecte humà, només és capaç d’explicar el 3% del contingut de tot l’Univers. S’han observat fenòmens com la matèria o l’energia fosca, representants del 97% restant, que no troben explicació en aquest model i que en requereixen un que vagi més enllà. Aquest és el gran repte dels experiments del futur.

Veure els àtoms i la seva estructura interna no és més que el nostre ambiciós intent per comprendre l’Univers. El món subatòmic no és més que una finestra al passat i els acceleradors de partícules, les nostres màquines del temps.

Héctor García-Morales és doctor en física i cofundador i científic de dades a PickleTech

Dossier Visions: com la ciència mira el món

Següent

La visió d'una màquina

Anterior

L'art de mirar el cel

Vés a l’ÍNDEX