¿Podría generarse un microagujero negro en el acelerador de partículas LHC?

Para contestar a tu pregunta hay recordar que un agujero negro es una región en el espacio con una gravedad tan elevada que nada puede escapar de ella, ni siquiera la luz. Preguntas exactamente si una región como esta podría crearse en el LHC. El LHC o Gran Colisionador de Hadrones, en español, es el mayor acelerador de partículas del mundo, en tamaño y energía de colisión, y está situado en el CERN, en la frontera entre Suiza y Francia. Es una herramienta que utilizamos en física para investigar las interacciones que rigen entre las partículas elementales y su estructura.

En el LHC, haces de protones que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz chocan entre sí. Cada uno de estos protones lleva una energía de 6,5 teraelectronvoltios (TeV). Es la energía que hemos tenido durante el período 2015-2018, en el llamado RUN2 del LHC.

De entre las interacciones fundamentales, tenemos constancia de que en los experimentos del LHC entran en juego las interacciones electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. La gravitatoria, tal como la entendemos según la relatividad general, tiene una intensidad muy débil para manifestarse. Por otro lado, las masas de las partículas que colisionan y de sus productos son muy pequeñas y, por tanto, los efectos gravitatorios entre ellas son totalmente despreciables durante la colisión. Para producir un agujero negro, los dos protones que chocan deberían acercarse a una distancia tremendamente pequeña, que el LHC está muy lejos de conseguir con las energías de las que hablo. En los experimentos del LHC probamos distancias y tamaños que son aún grandes para conseguir que ambos protones o sus constituyentes, quarks y gluones, queden gravitatoriamente atrapados.

Si la interacción gravitatoria tiene una intensidad muy débil y las masas de las partículas son muy pequeñas, ¿cómo podrían producirse microagujeros negros en el LHC? Pues la verdad, difícilmente… La probabilidad de que ocurra es tan baja que podríamos decir que es despreciable. Ahora bien, esto es así según el modelo teórico que hoy día rige nuestro conocimiento, el modelo estándar, que a nivel microscópico es válido hasta una cierta energía, básicamente la que probamos en el LHC, pero que sabemos que no explica algunos de los fenómenos muy energéticos que ocurren en la naturaleza. Es decir, este modelo no es la verdad absoluta, debe haber alguna teoría más general, válida para energías superiores.

Alguna de las propuestas de física más allá del modelo estándar propone la existencia de dimensiones adicionales a las cuatro que conocemos, las tres espaciales más la temporal. En ese contexto podría ocurrir que la interacción gravitatoria discurriera por esas otras dimensiones, además de las conocidas, lo que podría significar que la atracción gravitatoria fuera en realidad mucho más intensa que lo que vemos. Es decir, en nuestro mundo tal como lo conocemos seríamos sensibles solo a una porción de la gravedad. Si esos modelos, que de momento no son más que teorías, existieran de verdad, podríamos abrir alguna de estas dimensiones al colisionar partículas, es decir, algunas de las partículas creadas podrían viajar por esas dimensiones desconocidas. En ese caso, lo que a priori creemos que es una enorme cantidad de energía necesaria para crear microagujeros negros, quizá no fuera tan alta y pudiera ser accesible con la tecnología del LHC. En ese supuesto podríamos tener fenómenos de tipo gravitatorio, como es la aparición de microagujeros negros, a unas energías no tan elevadas como pensamos hoy en día.

Alguna de las propuestas de física más allá del modelo estándar propone la existencia de dimensiones adicionales a las cuatro que conocemos

Para entenderlo bien se hicieron estudios con programas que simulaban la creación de microagujeros negros en el LHC, es decir, de agujeros negros cuánticos, formados con la unión de partículas elementales que se consiguieran acercar tanto que quedaran atrapadas gravitacionalmente. Según estas simulaciones, en el caso de “abrirse” las dimensiones extra y bajo una serie de condiciones, podrían producirse microagujeros negros que serían de una masa muy, muy pequeña. Evidentemente no tenemos que pensar en agujeros negros galácticos. Estos agujeros negros acumulan todo aquello que entra en su horizonte de sucesos. Quizá alguien piense que los microagujeros negros pudieran interaccionar con el detector, con el propio LHC, y acabar absorbiendo la materia de los detectores y crecer a costa de ello. Pero estos microagujeros negros, simulados, no lo olvides, son inestables y se desintegrarían sin oportunidad para acumular nada, produciendo una variedad de partículas en el estado final, que serían detectadas en los experimentos.

En el LHC, analizamos los datos recogidos en las colisiones y buscamos lo que se hubiera producido de haberse creado y desintegrado estos microagujeros negros. Hasta ahora no hemos encontrado ninguna señal significativa y deducimos límites a su producción, a la masa que podrían tener y a las dimensiones adicionales que pudieran existir. El próximo año comenzamos el llamado RUN3 del LHC, acumularemos más colisiones, quizá con una energía de colisión algo más elevada, si tecnológicamente es posible. Continuaremos con nuestros estudios y análisis de datos.

Begoña de la Cruz Martínez es doctora en Física, investigadora en la Unidad CIEMAT-Física de Partículas, en el Departamento de Investigación Básica del CIEMAT.

Pregunta enviada vía email por Antonio Mg

Coordinación y redacción: Victoria Toro

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