Los físicos amplían la búsqueda de agujeros negros cuánticos en las entrañas del LHC

En 2008, cuando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se preparaba para entrar por primera vez en funcionamiento, hubo quien anunció algo mucho más espectacular que el ‘posible’ hallazgo del bosón de Higgs (que efectivamente fue descubierto en 2012). El acelerador, se decía, podría dar lugar a pequeños agujeros negros capaces de crecer sin control y terminar tragándose la Tierra.La inmensa mayoría de los científicos no estaba en absoluto preocupada por eso. Salvo alguna voz discordante (como la del excéntrico químico alemán Otto Rössler, que llegó a decir que uno de esos agujeros microscópicos crecería exponencialmente y devoraría la Tierra desde su interior en apenas cincuenta meses), todos estuvieron de acuerdo en que esos ‘mini agujeros negros’, si es que realmente se generaban, no tendrían la energía ni vivirían el tiempo suficiente como para causar daño alguno. A pesar de ello, una estridente voz de alarma recorrió el mundo a caballo de titulares catastrofistas y espectaculares. En España, algunos periódicos se preguntaban si estábamos ante «El experimento que podría acabar con el mundo», mientras que en el Reino Unido, tabloides como ‘The Sun’ abrían a toda página con la noticia de una catástrofe mundial inminente .Hoy, casi veinte años después, las aguas se han calmado, los agujeros negros del LHC no aparecen y la vida sigue. Pero resulta que en toda esta historia sí que hay algo de cierto, porque realmente existe una posibilidad teórica de que las colisiones de partículas a las altísimas energías del LHC generen esos pequeñísimos y fugaces agujeros negros cuánticos. De hecho, muchos científicos los han seguido buscando en silencio durante años, y ahora un equipo de investigadores dirigido por Tamas Vami y Danyi Zhang, de la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB), acaba de ampliar esa búsqueda.La búsqueda continúaEn un artículo recién publicado en ‘ Progress in High Energy Physics ‘, Vami y sus colegas proponen que estos hipotéticos agujeros negros sí que podrían formarse, pero con una condición: la existencia de dimensiones espaciales adicionales que hicieran que la gravedad fuera mucho más fuerte a escalas extremadamente pequeñas. Lo cual, por supuesto, no destruiría el planeta, aunque sí que podría ofrecer valiosas pistas hacia la tan buscada teoría de la gravedad cuántica.La idea, simplificada, es esta: para fabricar un agujero negro hay que concentrar una enorme cantidad de energía en un volumen extraordinariamente pequeño de espacio. Y según la Física que conocemos, el LHC no tendría capacidad para hacer algo semejante. Pero si existieran dimensiones espaciales adicionales y resultara que la gravedad se comporta de una manera diferente a distancias diminutas, la situación sería otra bien distinta. Es lo que se conoce como ‘problema de la jerarquía’. En esencia, se trata de averiguar por qué la gravedad es tan dramáticamente débil en comparación con las otras fuerzas fundamentales del Universo. Si lo pensamos bien, incluso un simple imán de nevera es capaz de levantar a la vez varios clips de metal, venciendo sin despeinarse la inmensa fuerza gravitatoria que ejerce la Tierra entera tirando de él hacia abajo. ¿No resulta sospechoso?¿Y si la gravedad no es tan débil?Según explican los autores del estudio, una posible solución sería que la gravedad no sea intrínsecamente tan débil como parece. Y que parte de su fuerza real se esté ‘filtrando’ hacia otras dimensiones ocultas, dimensiones espaciales adicionales (postuladas ya matemáticamente por la Teoría de Cuerdas) que permanecen ‘enrolladas’ y que son demasiado pequeñas para que los humanos las percibamos en nuestra realidad de tres dimensiones espaciales y una temporal.Si así fuera, tendríamos una gravedad que sería mucho más intensa a distancias extremadamente pequeñas. Básicamente, la fuerza gravitacional se iría volviendo más fuerte a medida que la medimos a distancias más y más cortas.Y ahí entra el LHC. Porque si esto es cierto, al chocar protones a energías enormes en el interior de la máquina y comprimir toda esa energía en un espacio incomprensiblemente pequeño (tanto que es a un átomo lo que un átomo es a un ser humano), la gravedad se volvería tan intensa que el espacio-tiempo se plegaría sobre sí mismo, formando un diminuto agujero negro.Nacer y morir en un instantePara tratar de capturar a estos esquivos y oscuros objetos, el equipo examinó una colosal montaña de datos recopilada por el detector CMS del LHC entre los años 2016 y 2018, lo que supone analizar cientos de billones (con ‘b’) de colisiones de protones. Sabemos, además, que estos agujeros negros no durarían casi nada, ya que todos ellos se desintegrarían prácticamente de inmediato. En su búsqueda, los investigadores se fijaron en dos características. Una es la esfericidad: un agujero negro que se evapora producirá partículas distribuidas aproximadamente en todas direcciones, formando una esfera. La otra es la cantidad total de energía depositada por los productos de la colisión. «Sabemos -subraya el propio Zhang- que los agujeros negros tienen una energía muy alta. Así que básicamente tomamos la energía de estas partículas, que son los productos de la desintegración de cualquier cosa creada en la colisión, y las sumamos. Si la suma es lo suficientemente grande, podemos decir que esta es la región en la que probablemente encontremos la señal»Con ests bases, el equipo añadió una herramienta nueva: una técnica de aprendizaje automático basada en algo llamado ‘distancia en el espacio de fases’.Dicho de forma sencilla, cada colisión puede imaginarse como un punto en un gigantesco mapa matemático definido por sus propiedades: energía, momento, direcciones de las partículas y otras variables. Dos acontecimientos parecidos aparecen cerca; dos muy diferentes, lejos.El algoritmo transforma esas distancias en una puntuación. De modo que los acontecimientos con puntuaciones altas se parecen más a lo que los investigadores esperan de la señal buscada.El agujero negro no apareceDespués de analizar todos los datos, Zhang y su equipo no lograron encontrar ninguna señal convincente de agujeros negros cuánticos. Pero eso también es un resultado valioso.De hecho, no demuestra que esos objetos no existan. Lo que hace es algo más preciso: descarta determinados modelos dentro de determinados rangos. Es decir, al no encontrar nada, los físicos lograron excluir masas teóricas de hasta 11,4 teraelectrón-voltios (TeV) para estos agujeros negros, y también estrechar considerablemente el espacio de posibilidades para las dimensiones adicionales. Todo lo cual limita de forma contundente el escenario en el que éstas, con sus agujeros negros asociados, podrían aún ‘esconderse’.Cuando una puerta se cierra, en efecto, quedan menos puertas por abrir, y poco a poco el mapa de la nueva Física se va haciendo más pequeño. Hasta que, quizá algún día, detrás de una de esas puertas aparezca algo completamente inesperado.Límites a la Teoría de CuerdasLa Teoría de Cuerdas predice la existencia de hasta diez dimensiones, «pero nuestras mediciones -concluye Vami- dicen que, asumiendo los parámetros de las teorías que consideramos, no se pueden tener más de dos. Si hubiéramos encontrado evidencia, habríamos podido comenzar a estudiar directamente la gravedad cuántica. Es un paso hacia la unificación de todas las fuerzas fundamentales conocidas, que ha sido un objetivo de los físicos durante más de un siglo».Zhang, por su parte, asegura que el hecho de no haber encontrado lo que buscaban «no es un callejón sin salida. El resultado es un límite de exclusión. Si esta cosa existiera con estas propiedades, la habríamos visto. No fue así, por lo que podemos descartarla aquí». Lo que no implica que pueda estar ‘en otra parte’. El LHC terminó su tercera etapa de funcionamiento en junio de 2026 y ha entrado en un largo periodo de transformación que lo convertirá en el High-Luminosity LHC, cuya puesta en funcionamiento está prevista para 2030. El objetivo será multiplicar enormemente el número de colisiones disponibles. Y más colisiones significa más posibilidades de capturar fenómenos extraordinariamente raros, de modo que, por ahora, los agujeros negros microscópicos seguirán en la lista. En 2008, cuando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se preparaba para entrar por primera vez en funcionamiento, hubo quien anunció algo mucho más espectacular que el ‘posible’ hallazgo del bosón de Higgs (que efectivamente fue descubierto en 2012). El acelerador, se decía, podría dar lugar a pequeños agujeros negros capaces de crecer sin control y terminar tragándose la Tierra.La inmensa mayoría de los científicos no estaba en absoluto preocupada por eso. Salvo alguna voz discordante (como la del excéntrico químico alemán Otto Rössler, que llegó a decir que uno de esos agujeros microscópicos crecería exponencialmente y devoraría la Tierra desde su interior en apenas cincuenta meses), todos estuvieron de acuerdo en que esos ‘mini agujeros negros’, si es que realmente se generaban, no tendrían la energía ni vivirían el tiempo suficiente como para causar daño alguno. A pesar de ello, una estridente voz de alarma recorrió el mundo a caballo de titulares catastrofistas y espectaculares. En España, algunos periódicos se preguntaban si estábamos ante «El experimento que podría acabar con el mundo», mientras que en el Reino Unido, tabloides como ‘The Sun’ abrían a toda página con la noticia de una catástrofe mundial inminente .Hoy, casi veinte años después, las aguas se han calmado, los agujeros negros del LHC no aparecen y la vida sigue. Pero resulta que en toda esta historia sí que hay algo de cierto, porque realmente existe una posibilidad teórica de que las colisiones de partículas a las altísimas energías del LHC generen esos pequeñísimos y fugaces agujeros negros cuánticos. De hecho, muchos científicos los han seguido buscando en silencio durante años, y ahora un equipo de investigadores dirigido por Tamas Vami y Danyi Zhang, de la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB), acaba de ampliar esa búsqueda.La búsqueda continúaEn un artículo recién publicado en ‘ Progress in High Energy Physics ‘, Vami y sus colegas proponen que estos hipotéticos agujeros negros sí que podrían formarse, pero con una condición: la existencia de dimensiones espaciales adicionales que hicieran que la gravedad fuera mucho más fuerte a escalas extremadamente pequeñas. Lo cual, por supuesto, no destruiría el planeta, aunque sí que podría ofrecer valiosas pistas hacia la tan buscada teoría de la gravedad cuántica.La idea, simplificada, es esta: para fabricar un agujero negro hay que concentrar una enorme cantidad de energía en un volumen extraordinariamente pequeño de espacio. Y según la Física que conocemos, el LHC no tendría capacidad para hacer algo semejante. Pero si existieran dimensiones espaciales adicionales y resultara que la gravedad se comporta de una manera diferente a distancias diminutas, la situación sería otra bien distinta. Es lo que se conoce como ‘problema de la jerarquía’. En esencia, se trata de averiguar por qué la gravedad es tan dramáticamente débil en comparación con las otras fuerzas fundamentales del Universo. Si lo pensamos bien, incluso un simple imán de nevera es capaz de levantar a la vez varios clips de metal, venciendo sin despeinarse la inmensa fuerza gravitatoria que ejerce la Tierra entera tirando de él hacia abajo. ¿No resulta sospechoso?¿Y si la gravedad no es tan débil?Según explican los autores del estudio, una posible solución sería que la gravedad no sea intrínsecamente tan débil como parece. Y que parte de su fuerza real se esté ‘filtrando’ hacia otras dimensiones ocultas, dimensiones espaciales adicionales (postuladas ya matemáticamente por la Teoría de Cuerdas) que permanecen ‘enrolladas’ y que son demasiado pequeñas para que los humanos las percibamos en nuestra realidad de tres dimensiones espaciales y una temporal.Si así fuera, tendríamos una gravedad que sería mucho más intensa a distancias extremadamente pequeñas. Básicamente, la fuerza gravitacional se iría volviendo más fuerte a medida que la medimos a distancias más y más cortas.Y ahí entra el LHC. Porque si esto es cierto, al chocar protones a energías enormes en el interior de la máquina y comprimir toda esa energía en un espacio incomprensiblemente pequeño (tanto que es a un átomo lo que un átomo es a un ser humano), la gravedad se volvería tan intensa que el espacio-tiempo se plegaría sobre sí mismo, formando un diminuto agujero negro.Nacer y morir en un instantePara tratar de capturar a estos esquivos y oscuros objetos, el equipo examinó una colosal montaña de datos recopilada por el detector CMS del LHC entre los años 2016 y 2018, lo que supone analizar cientos de billones (con ‘b’) de colisiones de protones. Sabemos, además, que estos agujeros negros no durarían casi nada, ya que todos ellos se desintegrarían prácticamente de inmediato. En su búsqueda, los investigadores se fijaron en dos características. Una es la esfericidad: un agujero negro que se evapora producirá partículas distribuidas aproximadamente en todas direcciones, formando una esfera. La otra es la cantidad total de energía depositada por los productos de la colisión. «Sabemos -subraya el propio Zhang- que los agujeros negros tienen una energía muy alta. Así que básicamente tomamos la energía de estas partículas, que son los productos de la desintegración de cualquier cosa creada en la colisión, y las sumamos. Si la suma es lo suficientemente grande, podemos decir que esta es la región en la que probablemente encontremos la señal»Con ests bases, el equipo añadió una herramienta nueva: una técnica de aprendizaje automático basada en algo llamado ‘distancia en el espacio de fases’.Dicho de forma sencilla, cada colisión puede imaginarse como un punto en un gigantesco mapa matemático definido por sus propiedades: energía, momento, direcciones de las partículas y otras variables. Dos acontecimientos parecidos aparecen cerca; dos muy diferentes, lejos.El algoritmo transforma esas distancias en una puntuación. De modo que los acontecimientos con puntuaciones altas se parecen más a lo que los investigadores esperan de la señal buscada.El agujero negro no apareceDespués de analizar todos los datos, Zhang y su equipo no lograron encontrar ninguna señal convincente de agujeros negros cuánticos. Pero eso también es un resultado valioso.De hecho, no demuestra que esos objetos no existan. Lo que hace es algo más preciso: descarta determinados modelos dentro de determinados rangos. Es decir, al no encontrar nada, los físicos lograron excluir masas teóricas de hasta 11,4 teraelectrón-voltios (TeV) para estos agujeros negros, y también estrechar considerablemente el espacio de posibilidades para las dimensiones adicionales. Todo lo cual limita de forma contundente el escenario en el que éstas, con sus agujeros negros asociados, podrían aún ‘esconderse’.Cuando una puerta se cierra, en efecto, quedan menos puertas por abrir, y poco a poco el mapa de la nueva Física se va haciendo más pequeño. Hasta que, quizá algún día, detrás de una de esas puertas aparezca algo completamente inesperado.Límites a la Teoría de CuerdasLa Teoría de Cuerdas predice la existencia de hasta diez dimensiones, «pero nuestras mediciones -concluye Vami- dicen que, asumiendo los parámetros de las teorías que consideramos, no se pueden tener más de dos. Si hubiéramos encontrado evidencia, habríamos podido comenzar a estudiar directamente la gravedad cuántica. Es un paso hacia la unificación de todas las fuerzas fundamentales conocidas, que ha sido un objetivo de los físicos durante más de un siglo».Zhang, por su parte, asegura que el hecho de no haber encontrado lo que buscaban «no es un callejón sin salida. El resultado es un límite de exclusión. Si esta cosa existiera con estas propiedades, la habríamos visto. No fue así, por lo que podemos descartarla aquí». Lo que no implica que pueda estar ‘en otra parte’. El LHC terminó su tercera etapa de funcionamiento en junio de 2026 y ha entrado en un largo periodo de transformación que lo convertirá en el High-Luminosity LHC, cuya puesta en funcionamiento está prevista para 2030. El objetivo será multiplicar enormemente el número de colisiones disponibles. Y más colisiones significa más posibilidades de capturar fenómenos extraordinariamente raros, de modo que, por ahora, los agujeros negros microscópicos seguirán en la lista.  

En 2008, cuando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se preparaba para entrar por primera vez en funcionamiento, hubo quien anunció algo mucho más espectacular que el ‘posible’ hallazgo del bosón de Higgs (que efectivamente fue descubierto en 2012). El acelerador, se decía, podría dar … lugar a pequeños agujeros negros capaces de crecer sin control y terminar tragándose la Tierra.

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