El LHC estrecha el cerco sobre los agujeros negros cuánticos
El experimento CMS del gran colisionador de hadrones (LHC), en Suiza, no encuentra señales de estos objetos microscópicos, pero reduce los lugares donde podrían ocultarse y estrena un método de inteligencia artificial para rastrear nuevos fenómenos del universo.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Recreación artística del instante en que un hipotético agujero negro microscópico se forma y se evapora en el detector CMS del LHC, liberando una cascada casi esférica de partículas. Estos objetos serían demasiado pequeños y fugaces para observarlos directamente. Cortesía: DALL-E-RexMolón Producciones
En contra de lo que suele creerse, un agujero negro no tiene por qué ser gigantesco ni alcanzar una masa equivalente a millones de soles. En teoría, basta con concentrar suficiente energía en un espacio extremadamente pequeño. Esta posibilidad ha llevado a algunos físicos a plantearse una pregunta tan fascinante como controvertida: ¿podría el gran colisionador de hadrones (LHC) —el acelerador de partículas más grande y de mayor energía que existe— producir agujeros negros microscópicos durante sus violentas colisiones de protones?
Un equipo vinculado al experimento Compact Muon Solenoid (CMS), uno de los grandes detectores del LHC, construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) entre 1989 y 2001 debajo de la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra, acaba de ampliar considerablemente la búsqueda de estos escurridizos microagujeros negros.
Antes de continuar, conviene aclarar una diferencia esencial: un agujero negro cuántico o microscópico no es una versión reducida de los grandes agujeros negros del universo. Es un objeto hipotético que podría formarse al concentrar una enorme cantidad de energía en una región extremadamente pequeña del espacio.
Así pues, no debe confundirse con los agujeros negros astrofísicos, que nacen del colapso de estrellas masivas o se encuentran en el centro de las galaxias. Los objetos buscados en el gran colisionador de hadrones del CERN serían extraordinariamente pequeños, tendrían una vida ínfima y desaparecerían casi inmediatamente después de formarse.
En rigor, el trabajo interpreta sus resultados mediante modelos de agujeros negros semiclasicos asociados a dimensiones espaciales adicionales. La expresión agujeros negros cuánticos se utiliza habitualmente en divulgación científica, porque estos objetos se encontrarían en un territorio donde los efectos cuánticos y gravitatorios tendrían que estudiarse de manera conjunta.
Su descubrimiento habría proporcionado una vía experimental para investigar la gravedad cuántica, uno de los grandes problemas sin resolver de la física.
🗣️«Si hubiéramos encontrado pruebas, podríamos haber comenzado a estudiar directamente la gravedad cuántica — insiste Tamás Álmos Vámi, investigador de CMS y autor del estudio, junto a Danyi Zhang, en la nota de prensa difundida por la Universidad de California en Santa Bárbara. Y añade—: Es un paso hacia la unificación de todas las fuerzas fundamentales conocidas, lo que ha sido un objetivo de los físicos durante más de un siglo».
Por qué podrían formarse agujeros negros en el LHC
En las condiciones físicas conocidas, el LHC no tiene energía suficiente para fabricar un agujero negro. Para que una colisión de 13 TeV pudiera producirlo, toda su energía tendría que quedar comprimida en una región con un radio aproximado de 10⁻⁵⁰ metros. Es una escala inconcebiblemente pequeña: equivale a una cienmilbillonésima parte de la longitud de Planck, considerada el límite a partir del cual nuestras teorías actuales dejan de describir adecuadamente el espacio y el tiempo. Por eso, si solo actúan las leyes físicas conocidas, el LHC no puede generar estos objetos.
La situación podría ser distinta, sin embargo, si existieran dimensiones espaciales adicionales. En algunos modelos teóricos, esas dimensiones reforzarían la gravedad a distancias extremadamente pequeñas y aumentarían el tamaño efectivo del posible agujero negro, hasta situarlo al alcance de las colisiones del LHC.
Algunos modelos proponen que, además de las tres dimensiones espaciales que percibimos, podrían existir otras dimensiones compactadas y demasiado pequeñas para ser observadas directamente. La gravedad se propagaría por ellas y, por ese motivo, parecería mucho más débil que el electromagnetismo y las fuerzas nucleares.
Esta hipótesis intenta resolver el llamado problema de la jerarquía: la enorme diferencia entre la intensidad de la gravedad y la de las demás interacciones fundamentales.
Si la gravedad se volviera mucho más intensa a distancias diminutas, las colisiones de protones del LHC podrían concentrar suficiente energía como para curvar el espacio-tiempo y formar un agujero negro microscópico.
La escala explorada por el acelerador es de aproximadamente 10⁻²⁰ metros. Según Joe Incandela, profesor de Física de la Universidad de California en Santa Bárbara, esa distancia es a un átomo lo que un átomo es a una persona.
Danyi Zhang y Támas Vámi, dos de los investigadores implicados en la búsqueda de agujeros negros cuánticos microscópicos mediante los datos del experimento CMS del gran colisionador de hadrones del CERN. Cortesía: Matt Perko
Cómo se busca un agujero negro que desaparece inmediatamente
Los físicos no esperan observar directamente el agujero negro. Buscan la huella que dejaría su desintegración.
Según los modelos estudiados, un agujero negro microscópico se evaporaría casi de inmediato mediante un proceso relacionado con la radiación de Hawking. Esta es una emisión de partículas que, según la teoría cuántica, producen los agujeros negros. Al perder energía mediante este proceso, reducen progresivamente su masa y pueden acabar evaporándose; en los agujeros negros microscópicos, esa evaporación sería casi instantánea.
«No durarían mucho tiempo: si se creara uno, se desintegraría de inmediato», nos confirma Steven Giddings, físico teórico de la UC Santa Barbara, experto en las implicaciones paradójicas de combinar la mecánica cuántica con la gravedad y uno de los pocos científicos de la época que propuso que, en determinadas condiciones, estos minúsculos vacíos en el espacio-tiempo podrían existir.
Dicha desaparición produciría numerosos objetos energéticos:
✅ Chorros de partículas o jets.
✅ Electrones y muones.
✅ Fotones.
✅ Energía transversal no detectada.
✅ Partículas emitidas en múltiples direcciones.
El resultado se parecería a una explosión muy energética y aproximadamente esférica dentro del detector CMS.
El problema es que las colisiones ordinarias descritas por el modelo estándar —a teoría que describe las partículas elementales conocidas y tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, pero no incluye la gravedad— también pueden producir muchos chorros de partículas. La dificultad consiste en identificar una señal extremadamente rara entre un fondo formado por billones de acontecimientos conocidos.
Una nueva forma de comparar las colisiones del LHC
Los estudios anteriores utilizaban, entre otros indicadores, la esfericidad. Esta variable permite medir hasta qué punto las partículas de una colisión se dispersan de forma uniformeen todas las direcciones.
El nuevo trabajo incorpora una herramienta denominada distancia en el espacio de fases.
Qué es el espacio de fases
Recordemos que el espacio de fases es una representación matemática multidimensional que reúne información sobre la energía, el momento y la dirección de las partículas presentes en una colisión.
Cada acontecimiento del LHC ocupa una posición en ese mapa. Las colisiones físicamente parecidas aparecen próximas, mientras que las que tienen estructuras diferentes se encuentran más alejadas.
Vámi y Zhang calcularon las distancias entre miles de acontecimientos y utilizaron una máquina de vectores de soporte, conocida como SVM por sus siglas en inglés, para clasificarlos. El algoritmo aprendió a distinguir entre las colisiones ordinarias y las simulaciones de agujeros negros.
Cada acontecimiento recibió una puntuación: cuanto mayor era, más se parecía a la señal buscada.
La distancia en el espacio de fases consiguió separar mejor la señal simulada del fondo que la esfericidad empleada de manera aislada. Además, ofrece una ventaja frente a algunos sistemas de inteligencia artificial considerados cajas negras: la clasificación parte de una medida física que los científicos pueden interpretar.
Visualización de los productos finales que dejaría la evaporación simulada de un agujero negro microscópico en el LHC. Las líneas rojas representan muones; los conos naranjas, chorros de partículas; las líneas amarillas, trayectorias; la verde, un electrón, y los bloques azules, interacciones de fotones en el calorímetro electromagnético. Cortesía: Progress in High Energy Physics (PHEP).
Por qué un resultado negativo también es un buen descubrimiento
El experimento no demuestra que los agujeros negros microscópicos no existan. Lo que establece es que no aparecen en determinadas regiones de masa y bajo las condiciones descritas por los modelos analizados.
«Si esto existiera con estas propiedades, lo habríamos visto. No lo vimos, así que podemos descartarlo aquí”, resume la investigadora Zhang.
Esta clase de resultado recibe el nombre de límite de exclusión. Permite eliminar regiones del mapa teórico en las que podría esconderse la nueva física.
🗣️ «No es un callejón sin salida —dice Zhang. Y añade—: El resultado es un límite de exclusión, que es una afirmación real y publicable: “Si esto existiera con estas propiedades, lo habríamos visto. No lo hemos visto, así que podemos descartarlo aquí”. Eso es conocimiento auténtico sobre cómo funciona el universo».
Los modelos no suelen predecir una única masa o energía exacta. Ofrecen intervalos de posibilidades. Cada experimento descarta una parte de ese territorio y obliga a los teóricos a revisar sus ideas.
El bosón de Higgs, una partícula elemental asociada al campo de Higgs que explica cómo otras partículas fundamentales adquieren masa, constituye un buen ejemplo: fue descubierto en 2012 por los experimentos ATLAS y CMS del LHC después de décadas de búsquedas que descartaron progresivamente distintas regiones de masa.
Qué implica para las dimensiones adicionales
Los nuevos resultados restringen también algunos modelos con grandes dimensiones extra, propuestos para explicar la debilidad aparente de la gravedad.
Bajo las combinaciones concretas de masas, intensidades de la gravedad y mecanismos de evaporación analizadas, muchos escenarios con dos o más dimensiones adicionales quedan excluidos. Es decir, si esas dimensiones existieran y se comportaran como predicen esos modelos, el LHC debería haber producido una señal detectable. Como no apareció, esas posibilidades se consideran muy poco probables.
Esto no significa que el experimento haya demostrado que las dimensiones extra no existen. La conclusión es más limitada: no pueden tener determinadas propiedades y producir, al mismo tiempo, los agujeros negros microscópicos previstos por esos modelos.
Una publicación más amplia de la colaboración CMS ha extendido posteriormente el análisis a otros objetos hipotéticos, como las bolas de cuerdas o string balls, estados extremadamente energéticos formados por cuerdas fundamentales muy excitadas que, según algunas versiones de la teoría de cuerdas, podrían desintegrarse en numerosas partículas y producir una señal parecida a la de un agujero negro microscópico.
En esa investigación, los límites para los agujeros negros semiclasicos se sitúan entre 8,4 y 11,4 TeV, dependiendo de las hipótesis adoptadas.
La búsqueda paralela de esfalerones
El mismo análisis buscó señales de esfalerones electrodébiles. Los esfalerones no son partículas, sino configuraciones inestables de los campos cuánticos.
Estas transiciones podrían alterar por separado el número de bariones —partículas formadas por tres quarks, como los protones y los neutrones— y el de leptones, una familia de partículas elementales a la que pertenecen los electrones y los neutrinos. Por ese motivo, se consideran relevantes para comprender la asimetría entre materia y antimateria.
Según las teorías cosmológicas, el big bang debería haber producido cantidades similares de ambas. Si la materia y la antimateria se hubieran aniquilado por completo, el universo actual estaría compuesto casi exclusivamente por radiación. Sin embargo, la materia sobrevivió y terminó formando galaxias, estrellas, planetas… y seres vivos.
Los investigadores tampoco encontraron señales de esfalerones. El estudio limita al 0,25 % la fracción de interacciones entre cuarks que podrían generar estas transiciones por encima de un umbral energético de 9 TeV.
Visualización de los productos finales que generaría un proceso de esfalerón simulado en el LHC. Estos fenómenos hipotéticos, ligados a transiciones extremas del campo electrodébil, producirían numerosas partículas que dejarían un patrón característico en el detector CMS. Cortesía: Progress in High Energy Physics (PHEP)
Estudios recientes relacionados
La base matemática de la nueva estrategia fue presentada en 2024 por Tianji Cai, Junyi Cheng, Nathaniel Craig, Giacomo Koszegi y Andrew Larkoski. El trabajo, subido arXiv, definió una distancia geométrica entre acontecimientos completos de un colisionador sin reducirlos previamente a unas pocas variables.
Ese mismo año, una investigación publicada en el European Physical Journal C demostró que diferentes técnicas de aprendizaje automático podían distinguir simulaciones de agujeros negros y esfalerones con mayor sensibilidad que varios métodos tradicionales.
La aproximación ha continuado evolucionando. Así, en 2025, otro equipo anunció en Physical Review D el desarrollo de un sistema de transporte óptimo multiescala capaz de estudiar tanto la organización general de una colisión como la estructura interna de cada chorro de partículas. Estas herramientas podrían facilitar búsquedas menos dependientes de una señal teórica predeterminada.
El objetivo a largo plazo es diseñar algoritmos capaces de reconocer colisiones anómalas incluso cuando los físicos no saben exactamente qué forma debería tener la nueva física.
La física Daniela Bortoletto posa junto a uno de los primeros anillos construidos para el nuevo rastreador de píxeles de ATLAS, destinado al gran colisionador de hadrones de alta luminosidad. Esta tecnología permitirá reconstruir las colisiones con mayor precisión y buscar señales extremadamente raras, incluidas las que podrían dejar hipotéticos agujeros negros microscópicos. Crédito: Daniela Bortoletto.
Qué ocurrirá con el LHC a partir de ahora
El gran colisionador de hadrones se encuentra en su tercera gran parada técnica, conocida como Long Shutdown 3. Durante este periodo se instalarán nuevos componentes en el acelerador y se modernizarán los experimentos.
El futuro LHC de Alta Luminosidad, cuyo inicio de operaciones está previsto para 2030, no aumentará radicalmente la energía de las colisiones, pero producirá una cantidad de datos mucho mayor. Esto permitirá investigar fenómenos extremadamente raros con más precisión.
La distancia en el espacio de fases podrá aplicarse a esas nuevas observaciones para buscar agujeros negros microscópicos, esfalerones, partículas exóticas y otras interacciones que todavía no han sido descubiertas.
La importancia del estudio, por tanto, va más allá de lo que no se ha encontrado. Los investigadores han reducido el territorio disponible para algunas teorías y, al mismo tiempo, han desarrollado una nueva manera de explorar todo lo que aún permanece oculto.▪️(21-septiembre-2026)
⏱️ LO MÁS IMPORTANTE DEL ESTUDIO, EN 30 SEGUNDOS
- Sin rastro de agujeros negros microscópicos: el experimento CMS del LHC no ha encontrado señales de estos objetos hipotéticos en los datos analizados.
- Nuevos límites para su posible masa: el estudio excluye agujeros negros microscópicos con masas mínimas de entre 9 y 11,4 teraelectronvoltios, según el modelo considerado.
- Una búsqueda mucho más sensible: los investigadores mejoran entre 1 y 1,6 TeV los límites establecidos por estudios anteriores.
- Menos espacio para las dimensiones adicionales: al no detectar la señal esperada, el trabajo descarta numerosas combinaciones teóricas de masas, intensidad de la gravedad y dimensiones espaciales extra.
- Un nuevo método de inteligencia artificial: la técnica compara las colisiones mediante su distancia en el espacio de fases y distingue mejor las posibles señales del enorme ruido de fondo.
- Tampoco aparecen esfalerones: no se han encontrado estas configuraciones hipotéticas de los campos cuánticos, relacionadas con el desequilibrio entre materia y antimateria.
- Un resultado negativo también aporta conocimiento: cada posibilidad descartada reduce el territorio en el que pueden ocultarse estos fenómenos y orienta las futuras teorías y búsquedas.
- La próxima oportunidad llegará con el LHC de Alta Luminosidad: a partir de 2030, el acelerador producirá muchas más colisiones y permitirá rastrear fenómenos extremadamente raros con mayor precisión.
Información facilitada por la UC Santa Barbara
Fuente: Támas Álmos Vámi & Danyi Zhang. Search for Black Holes and Sphalerons Using Novel MachineLearning Techniques at CMS. Progress in High Energy Physics PHEP (2026). DOI: https://doi.org/10.31526/PHEP.2026.21
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