Javier Cuevas: “Las técnicas de aceleración de partículas poseen aplicaciones directas en el tratamiento de tumores”

El investigador Javier Cuevas, durante una conferencia.

El responsable del Grupo de Física Experimental de Altas Energías de la Universidad de Oviedo, Javier Cuevas, es además coordinador de un equipo de investigadores de esta institución que ha trabajado en la búsqueda del bosón de Higgs, la partícula que supone un antes y un después en nuestro conocimiento de la evolución del Universo al explicar el origen de la masa. En esta entrevista nos ayuda a entender mejor la complejidad de dicho descubrimiento, su repercusión para la sociedad actual y las principales vías de investigación relacionadas con el mismo que todavía permanecen abiertas.

¿Qué es realmente el bosón de Higgs?
Es una partícula de spin 0, y por tanto escalar, posiblemente elemental, cuya existencia derivada de la presencia del llamado campo de Higgs, en realidad una excitación del mismo, nos permite explicar por qué las partículas elementales, leptones y quarks,  que son los constituyentes básicos de la materia, así como los mediadores de las interacciones o fuerzas entre las mismas, los otros bosones, el fotón, el W+-, el Z0, y los gluones,  poseen masa y que valores de masa poseen. La forma en que las diferentes partículas  interaccionan con el campo de Higgs es lo que las hace tener las diferentes masas que cada una de ellas posee.
Al igual que el fotón es el componente fundamental del campo electromagnético y de la luz, el campo de Higgs requiere la existencia de una partícula que lo componga, que es lo que llamamos el “bosón de Higgs”. Lo que conocemos como Modelo Estándar de Física de Partículas, basado principalmente en la descripción cuántica de los  campos electromagnético, débil y fuerte, describe las partículas elementales y sus interacciones con una precisión excelente, y el mecanismo de Higgs, explica la parte que hasta ahora quedaba por confirmar  sobre  el  origen de la masa.

¿En qué medida nos ayuda a comprender mejor la evolución del Universo tras el Big Bang?
En este proceso de evolución, es crucial el momento, unos instantes después de esa gran “explosión” en  la que aparece el campo de Higgs, pues es entonces cuando se puede empezar a hablar de procesos en los que la mayoría de las partículas aparecen como tales al adquirir su masa y empezar a comportarse como las conocemos hoy en día e interaccionar para formar estructuras a gran escala.
Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente. Si el electrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como la conocemos, por lo que tampoco habría química, ni biología ni seguramente existiríamos nosotros mismos.

¿Por qué el LHC es un instrumento tan sumamente complejo?
El LHC es el acelerador de partículas que ha producido hasta el momento la mayor energía jamás alcanzada en condiciones controladas en el mundo. Existen otros procesos en el Universo que dan lugar a radiación cósmica, que produce raramente energías más altas, pero evidentemente de modo no controlado ni reproducible.
El LHC no es solo un acelerador de partículas sino también un colisionador, es decir un lugar en que partículas del tamaño del fermi (10-15 m.), los protones, se hacen  chocar 40 millones de veces por segundo. Para que todo ello tenga lugar se requiere la presencia de más de 1200 imanes superconductores que producen un campo magnético de más de 8 Teslas, funcionando a temperaturas de menos de 2 K, en un vacío comparable al interestelar, y otros casi 10000 imanes de diferentes tipos que actúan como lentes magnéticas que enfocan los haces de protones. El conjunto completo ocupa un área circular de más de 6 Km. de diámetro y 27 Km de longitud de circunferencia. Es gigantesco y a la vez extremadamente preciso. El tamaño viene dado esencialmente por la relación  lineal entre la energía de las partículas y el radio de la circunferencia que recorren, de modo que a mayor energía, mayor tamaño del acelerador. La necesidad de aumentar la energía se deriva de la relación de De Broglie, que nos explica que cuánto más pequeña es la escala de distancias que queremos observar, mayor es la energía que necesitamos para realizar dicha observación.

¿Cómo funciona?
En realidad los principios básicos de la aceleración de partículas son sencillos, y se derivan de cómo un campo eléctrico alterno sincronizado situado convenientemente en el espacio puede ir comunicando energía a una partícula cargada que circule por dicho sistema. Los campos magnéticos dipolares y cuadrupolares nos permiten en este caso mantener las órbitas de las partículas confinadas a los tubos del acelerador por donde circulan y enfocadas para que el número de colisiones en los detectores sea el mayor posible. En el LHC las partículas vienen desde el SPPS con energías de 450 GeV prácticamente ya en paquetes separados unos 50 ns, que contienen más de 1011 protones/paquete, de modo que pueden circular unos 1400 de ellos, como si fueran los vagones de un tren a velocidades 0.999999 la de la luz. Existen cuatro puntos donde se sitúan cuatro detectores, ATLAS y CMS de propósito general, donde se estudia por ejemplo los procesos que producen el bosón de Higgs, y LHCb y ALICE que se utilizan para estudiar la asimetría materia antimateria, y las condiciones de la materia hadrónica a energías extremas, respectivamente.

¿Qué papel jugaron los investigadores de la Universidad de Oviedo en el hallazgo del bosón de Higgs?
El grupo de la Universidad de Oviedo desarrolla su actividad desde hace más de 15 años en el detector CMS (detector compacto de muones solenoidal), situado en uno de los cuatro puntos de colisión en el LHC. Las tareas desarrolladas han comprendido la construcción, alineamiento y operación, desde 2010, del detector de muones, situado en la parte más externa de CMS y que detecta partículas clave en la desintegración del bosón de Higgs. Hemos  elaborado estrategias de análisis de los datos del detector  y puesto a punto las herramientas de computación (llevadas a cabo parcialmente en el cluster de modelización científica del Campus de Mieres) necesarias para realizar la búsqueda de nuevas partículas, entre las que destaca el bosón de Higgs. Desde que el LHC empezó a proporcionar colisiones en 2010, antes de comenzar a buscar nuevas partículas, como el bosón de Higgs, hemos medido con  precisión una buena parte de los procesos que se producen debidos a la “física ya conocida” que predice el modelo estándar, y hemos comprobado que esas medidas están en perfecto acuerdo con otras medidas previas en otros aceleradores, como LEP y el Tevatron, lo que nos ha dado la confianza suficiente de que comprendemos los procesos predichos por el modelo estándar a estas nuevas energías solo producidas en el LHC.

Las nuevas tecnologías que se desarrollan en el CERN, cuando se utilizan los aceleradores y los detectores, ¿qué repercusión tienen para la sociedad actual, en materia de salud o tecnologías de la información?
Las técnicas de aceleración de partículas poseen aplicaciones directas en el tratamiento de tumores, de importancia obvia para las ciencias médicas y la salud humana. Más de 70000 pacientes han sido tratados con técnicas derivadas de las que se usan en el CERN en los últimos años. En el LHC se han desarrollado y probado componentes electrónicos resistentes a dosis de radiación sin precedentes, lo que tiene aplicaciones directas en medio ambiente. Tecnologías de computación: el LHC es “la aplicación” que más volumen de datos genera en el mundo. Nuevos materiales, superconductividad,  técnicas de enfriamiento, alto vacío, ingeniería mecánica de precisión, láseres, etc. se encuentran entre los campos que el LHC ha llevado cerca del límite del conocimiento actual. No olvidemos también desarrollos inesperados. El CERN es  el lugar donde se creó la World Wide Web, que fue diseñada originalmente para que los físicos de partículas intercambiaran enormes cantidades de datos complejos en Internet, pero cuya popularidad y uso actual ha revolucionado muchas de las tareas cotidianas y de relación entre las personas e instituciones de todo tipo.

En concreto, ¿hasta qué punto puede tener importancia la investigación sobre el bosón de Higgs en la lucha contra el cáncer?
Como ya hemos mencionado la tecnología necesaria para producir el bosón de Higgs requiere que se produzcan colisiones de haces de protones de muy alta energía, alta densidad y muy enfocados cuyos productos son observados también en complejos instrumentos, es decir desarrollo de tecnología de aceleradores de partículas y técnicas de detección, I+D+i en numerosos campos tecnológicos. Tal vez sea un poco exagerado, pero es posible que si los aceleradores de protones pudiesen ser “pequeños” y “baratos” no se usarían rayos X en los tratamientos, por tanto es fundamental trazar el camino para acercar este tipo de dispositivos a todos los posibles pacientes que lo necesiten.

¿Cuáles son los próximos retos en la investigación relacionada con el hallazgo mencionado?
En primer lugar hay que decir que hemos observado un nuevo estado de la materia, una nueva partícula, de la que hemos podido medir solo unas pocas propiedades,  y todas ellas son similares a las del bosón de Higgs del modelo estándar. Pero necesitamos los datos que estamos recogiendo y que continuaremos tomando hasta final de año para poder determinar sus dos propiedades básicas, su spin, y sus acoplamientos a bosones y fermiones. Sin embargo, para medir por ejemplo estos acoplamientos con una precisión adecuada, necesitaremos sin duda muchos más datos, tal vez unos 300 fb-1 at 14 TeV, lo que esperamos conseguir a finales de esta década.
Pero el programa de Física del LHC es amplio y, además de la confirmación de la existencia y medida de las propiedades del boson de Higgs, tratará de responder a preguntas también muy relevantes tales como qué generó la asimetría entre materia y antimateria en nuestro Universo o cuál es la composición de la materia oscura, de la que sabemos que constituye más de un 23% del Universo total pero no sabemos por qué tipo de partícula o partículas está formada. Estas cuestiones pueden quedar resueltas total o parcialmente en los próximos años con el análisis cuidadoso de los datos que serán recogidos por los cuatro experimentos situados en el acelerador.