Por: Julio C. Palencia

INTRODUCCION

Nosotros, hombres y mujeres que nos acercamos a la física de partículas de una manera reciente y novedosa, no como especialistas, tenemos la impresión que en la física de partículas todo se trata de nombres. Nombres, nombres y más nombres. La física parece algo extremadamente complejo,  en ocasiones rebuscada y, a veces, artificial. Sin embargo, esta suma de teorías que es hoy la física de partículas y sobre todo lo que llamamos Modelo Estándar, ha estado sometida a pruebas intensas de las cuales ha salido bien.

La física de partículas es una de las ciencias que más desarrollo ha experimentado y experimentará en los próximos años. La física ha tomado la batuta que la filosofía alguna vez tuvo y trata de encontrar respuestas apropiadas a las preguntas que han estado siempre con nosotros: ¿Qué somos? ¿De qué estamos hechos? ¿De dónde provenimos?, por mencionar sólo algunas de ellas.

El desarrollo de la física requiere de trabajo teórico y comprobación. Cada vez más la comprobación requiere trabajo minucioso, trabajo de equipo y complicadas herramientas. La herramienta más compleja creada por el ser humano hasta el momento es sin duda alguna el Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN por sus siglas en inglés). En el CERN laboran miles de científicos e investigadores de prácticamente todo el mundo.

Presentaré de manera simplificada la teoría actual con la intención de motivar tu curiosidad e interés en temas tan importantes hoy para nuestras sociedades.

No olvides que la ciencia funciona en base a investigación, hipótesis, teorías y comprobación de esas teorías. Todo en la ciencia está en entredicho, siempre. La única verdad absoluta de la ciencia es que no hay verdades absolutas (Carl Sagan). Que lo disfrutes.

 

EL MODELO ESTÁNDAR

Modelo estándar es el nombre dado en los años 70s a un grupo de teorías. Este grupo de teorías físicas describe las partículas fundamentales de la naturaleza y la manera en que interactúan. En su momento, incorporó de forma satisfactoria todas las partículas subatómicas conocidas, al tiempo que predijo la existencia de otros ladrillos faltantes en el edificio siempre incompleto de la física.

Al día de hoy, el número de partículas elementales en el modelo estándar llega a 17, organizados tal y como se muestra en la figura siguiente. Las últimas partículas en ser descubiertas fueron los bosones W y Z en 1983, el quark top en 1995, el neutrino tau en el 2000, y el bosón de Higgs casi confirmado en el 2012.

 

Foto: Wikipedia

Gráfico: Wikipedia

 

Las partículas fundamentales se dividen en tipos, de acuerdo a ciertas características. Las dos tipos de partículas son los fermiones y bosones, éstos últimos encargados de la transmisión de fuerzas. El modelo estándar tiene 12 fermiones y 5 bosones, para un total de 17 partículas fundamentales.

Los fermiones son regidos por el llamado Principio de Exclusión, una regla estadística descrita por Enrico Fermi, Paul Dirac y Wolfgang Pauli. El Principio de Exclusión establece que dos fermiones no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo. Tanto los leptones como los quarks son fermiones, pero también lo son las partículas que se forman a partir de ellos, como protones, neutrones, átomos, moléculas, etc.

En contraste, los bosones no tienen problema alguno en ocupar el mismo espacio al mismo tiempo. Las reglas estadísticas que aplican para los bosones fueron primeramente descritas por Satyendra Bose y Albert Einstein. Gluones, fotones, y los bosones W, Z y de Higgs son todos parte de la familia de bosones. Nuestra experiencia más directa y cotidiana se da con la luz, que es una forma de radiación electromagnética (fotones), y son los bosones con los cuales tenemos una experiencia más directa.

Los fermiones se dividen en dos grupos de seis: quarks, que se encuentran siempre unidos entre sí, y leptones, que existen independientemente.

La palabra quark se utilizó por primera vez en la novela cómica de James Joyce, Finnegan’s Wake. Se sabe que los quarks se unen en grupos de dos y tres. Los grupos de tres son llamados bariones, que significa, en griego, “pesado”. Los grupos de dos son llamados mesones (1 quark y un antiquark), que significa “medio” en griego igualmente. De manera conjunta, tanto los bariones como los mesones son conocidos como hadrones, que significa “denso” en griego. (Como puedes ver entonces, el Gran Colisionador de Hadrones acelera y hace colisionar, como su nombre lo indica, protones, neutrones, quarks).

Los bariones que se encuentran en el núcleo atómico, protones y neutrones, son llamados núcleones. Los otros tipos de bariones existentes son denominados hiperiones, los cuales son altamente inestables y en fracciones de segundo se descomponen en bariones más estables (por ejemplo, el protón o neutrón).

El otro grupo perteneciente a los fermiones son los leptones, derivado de la palabra griega para designar “delgado”. La particularidad de estas partículas es que no requieren estar juntas, lo que las mantiene “delgadas” en cierto sentido. A este grupo pertenecen los electrones.

Los neutrinos pertenecen también al grupo de los leptones. Están subdivididos en sabores, 3 sabores, a partir del nombre del compañero leptón con el que interactúan: electrón, muón y tau. Los neutrinos tienen muy poca masa, incluso muy poca masa comparados con un leptón (que son las partículas delgadas). Su interacción con otras partículas es de una manera tan débil que son excepcionalmente difíciles de detectar.

Electrón: junto con el núcleo conforman el átomo.
Muón: un familiar pesado del electrón. Su vida no es más allá de dos millonésimas de segundo.
Tau: partícula aún más pesada que el Muón, extremadamente inestable. Fue descubierta en 1975.
Electrón neutrino: partícula sin carga eléctrica, de muy poca masa. Miles de millones atraviesan nuestro cuerpo cada segundo.
Muón neutrino: creados junto con los muones cuando algunas partículas decaen.
Tau neutrino: partícula descubierta en el año 2000.

Los fermiones están también catalogados en generaciones (ver figura superior), de acuerdo a la forma en que se conjuntan. En la generación 1, las partículas se combinan para formar hadrones con un promedio de vida efectivamente casi infinito. Un ejemplo de esta generación serían átomos estables hechos de electrones, protones y neutrones. La generación 2 forma siempre hadrones inestables. La partícula lambda es la partícula de más larga vida conocida (menor a 1 mil millonésima de segundo) de esta generación. Lambda está formado por un quark arriba, uno abajo y un extraño. Las partículas de la generación 3 están catalogadas por su comportamiento. El quark fondo (bottom) no es mucho más extraño que el quark extraño, pero el quark cima (top) vive tan poco que no existe lo suficiente como para hacer algo. Se deshace antes de saber que existe. Los quarks cima se conocen sólo a través de lo generan en su decaimiento.

Cada partícula de materia tiene su correspondiente partícula de antimateria, que se comporta de la misma manera pero tiene carga opuesta. Por ejemplo, un protón tiene carga positiva y un antiprotón tendrá carga eléctrica negativa. Cuando una partícula y su antipartícula entran en contacto, se aniquilan convirtiendo la masa de ambas partículas en energía.

Casi toda la materia que conocemos está formada está formada por dos tipos de quarks: abajo y arriba -y un tipo de leptón: el electrón. Las partículas restantes, cuatro quarks y cinco leptones son versiones modificadas de los tres mencionados.

 

Gráfico: Wikipedia

Gráfico: Wikipedia

 

LA INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS

CARGA

La carga es la propiedad de la materia que genera el fenómeno eléctrico y magnético, conocido conjuntamente como electromagnetismo. La carga de las partículas está cuantificada, lo cual significa que existe sólo en valores discretos y restringidos  -múltiplos y fracciones de la carga elemental. Las partículas que existen de manera independiente, como el electrón, muón y tau, tienen múltiplos de la carga elemental, mientras que los quarks tienen fracciones. Los quarks siempre se unen en grupos cuya carga total es un múltiplo integral de la carga elemental. De manera adicional, las cargas opuestas se atraen, por cual los electrones tienen a unirse con protones, y de esa manera se forman los átomos, que son neutrales como un todo. Es debido a esta causa que no notamos normalmente la naturaleza eléctrica de la materia.

FUERZA ELECTROMAGNÉTICA

Las partículas cargadas interactúan entre sí intercambiando fotones   -los portadores de la fuerza electromagnética. Siempre que un electrón repele a otro electrón, o un electrón orbite un núcleo, hay un fotón responsable. Los fotones carecen de masa, carecen de carga y viajan en el vacío a una velocidad constante. El modelo matemático que describe la interacción de las partículas con carga a través del intercambio de fotones es conocido como Electrodinámica Cuántica.

COLOR

Un quark se une a otros quarks debido a que poseen una característica conocida como color, o carga de color. La carga de color en los quarks se da  tres colores: rojo, verde y azul. El color en los quarks no es realmente un color, es un nombre que corresponde más a la combinación de la luz en la visión humana.

Un barión es un grupo de tres quarks: uno rojo, otro verde y otro azul. Si los colocas conjuntamente tienes una partícula de color neutro. Un mesón son dos partículas, un quark con color y un antiquark con anticolor. Al colocarlos juntos te da una partícula con color neutro.

FUERZA FUERTE

Las partículas de color están unidas por los gluones (de la familia de los bosones). También los gluones tienen color, pero de manera más complicada que los quarks. Seis de los ocho gluones tienen dos colores, uno tiene cuatro, y otro tiene seis. Los gluones unen a los quarks, los mantienen unidos, pero igualmente se unen a sí mismos. Una consecuencia directa de esta característica es que no pueden ir mucho más allá del núcleo.

El modelo matemático que describe la interacción de las partículas de color a través del intercambio de gluones es conocida como Cromodinámica Cuántica.

Los gluones son los portadores de la  interacción fuerte (o fuerza fuerte) ya que sus fuerzas en el núcleo atómico son más fuertes que la fuerza electromagnética. Sin la existencia de la fuerza fuerte, los núcleos no se mantendrían unidos.

SABOR

Hay doce fermiones elementales. La diferencia entre ellos es lo que llaman sabor. La palabra “sabor” se usa para significar “tipo” y aplica sólo a los fermiones. Por supuesto, como ya sabemos, en realidad esta palabra “sabor” no tiene nada que ver el sabor de las comidas.

FUERZA DÉBIL

Las fuerzas con sabor interactúan débilmente a través del intercambio de los bosones W y Z  -los transportadores de la fuerza débil. Cuando un neutrón decae y se convierte en un protón, un bosón W es responsable del decaimiento. Cuando un neutrón captura un neutrino, un bosón W lo hace. El modelo matemático que describe la interacción de partículas de sabor a través del intercambio de bosones vectoriales intermedios (W y Z) se conoce como Flavordinámica Cuántica, y es un término poco usado por los físicos. En altas energías, la fuerza débil y la electromagnética son indistinguibles. El modelo matemático que describe ambas fuerzas se conoce como Teoría Electrodébil.

MASA

Todos los fermiones tienen masa. Las partículas de la generación 1 tienen menos masa que las de generación 2 y éstas a su vez menos masa que las de generación 3. Dentro de esta generación, los quarks son más masivos que los leptones y los neutrinos menos masivos que el resto de leptones. Los bosones se dividen cuando se trata de masas. El gluón y fotón carecen de masa. Los bosones W, Z y Higgs tienen gran cantidad de masa.

El bosón de Higgs es una predicción del Modelo Estándar y en el 2012 se tuvieron indicios serios de su descubrimiento en los reportes realizados por el CERN. El bosón se Higgs se considera el responsable de que todas las partículas de materia tengan masa.

GRAVEDAD

La gravedad es la fuerza entre los objetos debido a su masa. El modelo matemático que describe la gravedad al nivel de partícula es llamada Geometrodinámica Cuántica, pero se le conoce más comúnmente como Gravitación Cuántica. El modelo estándar de la física de partículas no incluye la gravedad, y en este momento no tenemos una teoría cuántica de la gravedad. Si existiera, tendríamos que incluir una partícula de transmisión de fuerza. El nombre propuesto para esta partícula es el gravitón, el cual es un bosón hipótetico que sería el responsable de la fuerza de gravedad. En el caso de ser descubierto alguna vez, el Modelo Estándar se convertiría finalmente en la Teoría De Todo, ya que uniría las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Por medio de la utilización de lo que conocemos como Modelo Estándar, los físicos han elaborado durante 70 años un modelo de la materia pieza por pieza. El universo se cree está formado por materia (4 por ciento de átomos y 20 por ciento de materia oscura que no podemos ver o incluso explicar hasta este momento) y energía, del cual el 76 por ciento está formada por lo que llaman energía oscura.

Aunque el Modelo Estándar es una teoría poderosa, algunos de los fenómenos observados últimamente  -materia oscura, ausencia de antimateria en el universo-  permanecen sin explicación y no han podido incorporarse a este modelo.

 

DE QUÉ TAMAÑO HABLAMOS

La física de partículas se ocupa de los objetos más pequeños en la naturaleza. Al estudiar las partículas más pequeñas y fundamentales también es posible ir hacia atrás, hacia los inicios mismos de nuestro universo. Las partículas que los físicos estudian son tan diminutas que es difícil imaginar su tamaño. Sin embargo, un átomo tiene un diámetro de 10-1o metros, un núcleo atómico es 10-14 y los quarks son menores a 10-19.

Si los protones y neutrones tuvieran un diámetro de 10 centímetros, en esa misma proporción los quarks y los electrones serían menores a 0.1 milímetro, y el átomo entero tendría un diámetro de unos 10 kilómetros. Eso significa que el 99.99% del átomo está conformado por espacio vacío.

La energía tiene múltiples unidades de medida: joules, calorías, y kilowatts/hora; cada una de ellas se utiliza en distintos contextos. En la física de partículas, la unidad que más frecuentemente es utilizada es la electronvolt (eV) y sus derivados keV(103 eV), MeV(106 eV), GeV(109 eV) y TeV(1012 eV). El electronvolt es una medida conveniente ya que, en términos absolutos, los tipos de energía con las que trata la física de partículas son muy pequeños. Si tomamos el LHC como ejemplo, el energía de colisión total es de 14 TeV, lo que lo hace el acelerador más poderoso del planeta en la actualidad. Sin embargo, al convertirlo a joules, tenemos que:

14 x 1012 x 1.602 x 10-19 = 22.4 x 10-7 joules.

Este total es un monto muy pequeño de energía, si lo comparamos, por ejemplo, con la energía de un objeto de 1 kilogramo cayendo desde una altura de 1 metro, lo que daría

9.8 joules = 6.1 x 1019 electronvolts.

El electronvoltio es una unidad de energía que representa la energía cinética que adquiere un electrón cuando es acelerado por una diferencia de potencial de 1 voltio; allí tendrá un cierto monto de energía discreta, E=qV joules, en donde q es la carga del electrón en coulombs y V es la diferencia de potencial en voltios. Por lo tanto, 1 eV = (1,602176462  x 10-19)
x (1 V) = 1,602176462  x 10-19 J.

Ninguna partícula puede moverse a velocidades superiores a la velocidad de la luz en el vacío; sin embargo, no hay límite a la energía que una partícula puede tener. En los aceleradores de alta energía, las partículas viajan por lo común a la velocidad de la luz. Bajo estas condiciones, a medida que la energía aumenta, el aumento en la velocidad se hace mínimo. Por ejemplo, las partículas en el LHC se mueven a una velocidad de 0.999997828 la velocidad e la luz en un inicio, con una energía aplicada de 450 GeV, y una velocidad de 0.999999991 en su máximo de energía, que es de 7000 GeV. Es por eso que los físicos de partículas no piensan por lo general en términos de velocidad, sino en términos de energía de la partícula.

Para las partículas moviéndose cerca del límite impuesto por la velocidad de la luz es indispensable el uso de la de la relatividad especial de Einstein, ya que la mecánica clásica puede predecir sólo  velocidades mucho más pequeñas.

Energía y masa son dos caras de la misma moneda. La masa puede transformarse en energía y viceversa, de acuerdo a la muy famosa ecuación de Einstein (E=mc2). En el LHC este tipo de transformaciones se da con cada colisión, en cada experimento. Es debido a esta equivalencia que masa y energía pueden medirse con el mismo tipo de unidades. En la escala de la física de partículas, esta unidad es el electronvoltio y sus derivados.

 

¿Cómo funciona el Gran Colisionador de Hadrones?

El LHC es la última incorporación al complejo acelerador del Centro Europeo de Investigación Nuclear, CERN. El LHC es el más grande y poderoso acelerador de partículas disponible en la actualidad. El acelerador consiste principalmente de un anillo de 27 kilómetros compuesto de magnetos superconductores con cierto número de estructuras aceleradoras para incrementar la energía de las partículas conforme viajan a través del anillo.

Gran Colisionador de Hadrones

Gran Colisionador de Hadrones

Dentro del acelerador, dos rayos de partículas viajan a casi la velocidad de la luz a muy altas energías antes de que colisionen uno contra otro. Los rayos de luz viajan en direcciones opuestas en tubos conductores separados  -dos tubos que se conservan a un vacío ultra alto. Los rayos son guiados a través del anillo acelerador utilizando un fuerte campo magnético, para lo que se usan electromagnetos superconductores. Estos electromagnetos son construidos con bobinas hechas de un cable eléctrico especial que funciona en un estado de superconducción que le permite conducir la electricidad sin ninguna resistencia o pérdida de energía. Esta operación requiere el enfriamiento de los magnetos a cerca -271 grados centígrados, más frío aún que el espacio. Es debido a esto que una gran parte del acelerador está conectada a un sistema de distribución de helio líquido, el cual enfría los magnetos así como otros servicios.

Miles de magnetos de distintos tipos y tamaños se utilizan para dirigir los rayos de luz alrededor del acelerador. Entre éstos se encuentran 1232 magnetos dipolares de 15 metros de longitud y que se utilizan para curvar los rayos; 392 magnetos cuadrúpolos, de 5-7 metros cada uno, para concentrar los rayos. Justo antes de la colisión, otro tipo de magneto se utiliza para “comprimir” las partículas entre sí para aumentar  las posibilidades de colisión.  Las partículas son tan pequeñas que hacerlas colisionar es como disparar agujas desde dos distintas posiciones a 10 kilómetros de distancia con precisión tal que se encuentren a medio camino.

Todo los controles del acelerador, los servicios que requiere así como su infraestructura técnica se encuentran en el Centro de Control del CERN. Desde aquí es precisamente que los rayos dentro del LHC se hacen colisionar en cuatro lugares distintos alrededor del anillo, cuatro lugares que corresponden a las posiciones precisas donde se encuentran los detectores de partículas.

 

FÍSICA DE PARTÍCULAS EN EL GRAN COLISIONADOR DE HADRONES

Existe un programa de partículas pesadas en el LHC, rayos de núcleos pesados (llamados “iones”) que colisionan a energías mayores en 30 veces a los experimentos de laboratorio realizados con anterioridad. En estas colisiones de partículas pesadas, la materia se calienta a más de 100,000 veces la temperatura en el centro de nuestro Sol, logrando condiciones similares a las que existían en los primeros microsegundos después de lo que conocemos como Big Bang. El objetivo de este programa de partículas o iones pesados en el LHC es producir materia a temperaturas y densidades tan elevadas como nunca se ha estudiado en un laboratorio, así como estudiar sus propiedades en todo detalle. Se espera que este tipo de experimentos nos conduzca a nuevos puntos de vista sobre la naturaleza de la interacción fuerte entre las partículas fundamentales.

La interacción fuerte es la fuerza fundamental que une las partículas elementales que llamamos quarks para que formen objetos mayores, tales como protones y neutrones, los cuales a su vez son los bloques constitutivos de los elementos atómicos. Mucho sabemos ya sobre el mecanismo conductor de esta fuerza fundamental, los gluones, que une a los quarks para formar protones y neutrones. Sin embargo, hay dos aspectos de la interacción fuerte que ocasionan aún mucha intriga.

El primer aspecto es que no se ha observado ningún quark aislado: quarks y gluones parecen estar confinados permanentemente en partículas compuestas, tales como los mencionados protones y neutrones. El segundo aspecto es que, tanto el protón como el neutrón tienen tres quarks, pero la masa de estos tres quarks cuenta sólo por el uno por ciento del total de la masa del neutrón y el protón. Aunque el mecanismo de Higgs podría aumentar la masa de los quarks individuales, no podría contar para la masa de la materia ordinaria.

La teoría actual de la interacción fuerte, llamada Cromodinámica Cuántica, predice que a temperaturas muy altas, tanto quarks como gluones pueden separarse y existir libremente en ese nuevo estado de materia conocido como plasma quark-gluón. La teoría incluso predice que en ese mismo nivel de temperatura, el mecanismo responsable de proporcionar la mayor cantidad de su masa a las partículas compuestas deja de funcionar.

En el programa de iones pesados del LHC existen tres experimentos  -ALICE, ATLAS y CMS-  que tienen como objetivo producir y estudiar esta fase extrema de altas temperaturas de la materia y proporcionar información nueva a la pregunta de cómo se generó la mayoría de la materia visible en el universo en los milisegundos que siguieron al Big Bang.

 

EXPERIMENTOS ACTUALES EN EL LHC

Actualmente se desarrollan seis experimentos en el LHC y todos se ejecutan en colaboración internacional con científicos provenientes de instituciones de todo el mundo. Cada experimento es distinto, caracterizado por su detector de partículas específico.

Los dos grandes experimentos que se realizan, ATLAS y CMS, se basan en detectores de propósito general para analizar los miles de partículas producidos por las colisiones dentro del acelerador.  Se intenta con este experimento investigar el mayor rango posible de la física. Ya que se cuenta con dos detectores independientes, es de vital importancia compartir la información para confirmar cualquier descubrimiento que se pudiera realizar.

Se realizan también dos experimentos de mediano tamaño o alcance, ALICE y LHCb, que utilizan detectores especializados para el análisis de las colisiones en el LHC en relación con fenómenos específicos.

Dos experimentos adicionales, TOTEM y LHCf, son mucho más pequeños en tamaño. Están diseñados para colocar toda su atención en “partículas lanzadas” (protones o iones pesados). Estas son partículas que se rozan al pasar unas con otras cuando los rayos colisionan, en lugar de chocar de frente.

Los detectores que utiliza tanto el ATLAS, el CMS, Alice y LHCb están instalados en cuatro cavernas bajo tierra localizadas alrededor del anillo del LHC. Los detectores utilizados por el experimento TOTEM están colocados cerca del detector para el experimento CMS, mientras que los utilizados por el experimento LHCf se encuentran cerca del detector para el ATLAS.

 

UN EXPERIMENTO PARA COLISIÓN DE GRANDES IONES: ALICE

Para el experimento ALICE, el LHC colisionará iones para recrear las condiciones existentes justo después del Big Bang bajo condiciones de laboratorio. La información obtenida permitirá a los físicos estudiar el estado de la materia conocida como plasma quark-gluón, que se cree existió justo después de la gran explosión inicial.

Experimento ALICE (Crédito: CERN)

Experimento ALICE (Crédito: CERN)

Toda la materia en el universo de hoy está formado por átomos. Cada átomo contiene un núcleo compuesto de protones y neutrones, rodeado por una nube de electrones. Protones y neutrones están a su vez conformados por quarks, que se mantienen juntos debido a otras partículas que llamamos gluones. Esta unión increíblemente fuerte que generan los gluones significa que quarks aislados no se han encontrado nunca.

Las colisiones en el LHC generarán temperaturas más de 100,000 veces más caliente que el centro de nuestro Sol. Los físicos esperan que bajo estas condiciones los protones y neutrones se “derretirán”, liberando así a los quarks de su unión ocasionada por los gluones. Esta condición extrema debe crear el estado de la materia plasma quark-gluón que se cree existió justo después del Big Bang, cuando el universo se encontraba aún extremadamente caliente. El experimento ALICE pretende estudiar este plasma a medida que se expande y enfría, observando la manera en que progresivamente da lugar a la aparición de partículas que constituyen la materia de nuestro universo hoy.

En noviembre del 2011 participaban en este experimento más de 1000 científicos provenientes de 105 institutos de física de 30 países.

DETECTOR DE ALICE

Tamaño: 26 metros longitud, 16 metros altura, 16 metros ancho
Peso: 10,000 toneladas
Diseño: barril central más espectrómetro de muones de brazo individual adelante.
Ubicación: St. Genis-Pouilly, Francia.

 

ATLAS

ATLAS es uno de los dos detectores de propósito general en el LHC. Su propósito es investigar un amplio rango de la física, incluyendo la búsqueda del bosón de Higgs, dimensiones extra adicionales a las conocidas y partículas que podrían constituir la materia oscura. ATLAS guardará grupos de mediciones realizadas con las partículas creadas en las colisiones, lo que incluye sus rutas, sus energías y sus identidades.

Experimento ATLAS (Crédito: CERN)

Experimento ATLAS (Crédito: CERN)

Esta investigación se logra en ATLAS a través de seis distintos subsistemas de detección para identificar partículas y medir su momentum y energía.

Otro elemento vital de ATLAS es su enorme sistema de magnetos que curva las rutas de las partículas cargadas para medición de su momentum.

Las interacciones en los detectores de ATLAS crearán enormes cantidades de información. Para procesar esa información, ATLAS requiere un sistema muy avanzado de adquisición y administración de datos, y un sistema de computación enorme.

En ATLAS participan más de 2900 científicos provenientes de 172 instituciones de 37 países.

DETECTOR DE ATLAS

Tamaño: 46 metros longitud, 25 metros altura y 25 metros ancho. El detector de ATLAS es el detector de partículas más grande que se haya construido hasta el momento.
Peso: 7000 toneladas
Diseño:  Barril más tapas de los extremos
Localización: Meyrin, Suiza.

 

SOLENOIDE COMPACTO DE MUONES CMS

El experimento CMS usa un detector de propósito general para investigar un amplio rango de la física, incluyendo la búsqueda del bosón de Higgs, dimensiones extra, y partículas que podrían conformar la materia oscura. Aunque este experimento tiene los mismos objetivos científicos que el experimento ATLAS, usa soluciones técnicas distintas y un diseño distinto también de su detector de sistema de magnetos para lograrlos.

Experimento CMS (Crédito: CERN)

Experimento CMS (Crédito: CERN)

El detector del CMS está construido alrededor de un magneto solenoide gigante. Tiene la forma de una bobina cilíndrica de cable superconductor que genera un campo magnético de 4 teslas, cerca de 100 000 veces el de nuestro planeta. El campo magnético es producido por un “yugo” que forma el grueso del peso del detector de 12500 toneladas. Una característica inusual del detector CMS es que, en lugar de estar construido in-situ bajo tierra, como los otros detectores gigantes del GCH, fue construido en la superficie y después rearmado bajo tierra ensamblando 15 secciones.

Más de 2000 científicos colaboran en este experimento, provenientes de 155 instituciones de 37 países.

DETECTOR CMS

Tamaño: 21 metros longitud, 15 metros ancho y 15 metros alto
Peso: 12500 toneladas
Diseño: Barril más tapas de terminación
Ubicación: Cessy, Francia.

 

GRAN COLISIONADOR DE HADRONES b (LHCb)

El experimento LHCb nos ayudará a entender el por qué vivimos en un universo que parece estar compuesto casi sólo de materia, pero no de antimateria.

Este experimento se especializa en el estudio de pequeñas diferencias entre la materia y la antimateria por medio del análisis de un tipo de partícula llamado “quark bello” ó “quark belleza” o conocido también como “quark b”.

Experimento LHCb (Crédito: CERN)

Experimento LHCb (Crédito: CERN)

En lugar de rodear el punto completo de colisión con un detector cerrado, el experimento LHCb usa una serie de sub-detectores para detectar principalmente partículas hacia adelante. El primer sub-detector se encuentra instalado cerca del punto de colisión, mientras que los siguientes se ubican uno detrás del otro, a una distancia de 20 metros.

Una gran cantidad de distintos tipos de quarks serán creados por el LHC antes que decaigan en otras formas de materia. Para encontrar los b-quarks, el LHCb ha desarrollado detectores de seguimiento movibles y sofisticados muy cercanos a la ruta que siguen los rayos circulares en el LHC.

El LHCb tiene una participación de 650 científicos provenientes de 48 instituciones de 13 países (abril del 2006).

DETECTOR LHCb

Tamaño: 21 metros longitud, 10 metros ancho y 13 metros ancho
Peso: 5600 toneladas
Diseño:  espectrómetro hacia adelante con detectores planos
Ubicación: Ferney-Voltaire, Francia

 

TOTEM

Medición De Sección Transversal Difractiva y Elástica Total (TOTEM es acrónimo de Total Elastic and diffractive cross section Measurement)
El experimento TOTEM estudia partículas hacia adelante y se enfoca en la física que no es accesible a los experimentos de propósito general. Dentro de un rango de estudios, medirá en efecto el tamaño del protón y vigilará de cerca la luminosidad del LHC.

Experimento TOTEM (Crédito: CERN)

Experimento TOTEM (Crédito: CERN)

Para lograr su objetivo, TOTEM debe tener la capacidad de detectar partículas producidas en un rango muy cercano a los rayos del LHC. Incluirá detectores alojados en cámaras al vacío especialmente diseñadas y llamadas “ollas romanas”, que se conectan a los tubos del rayo en el LHC. Ocho ollas romanas serán colocadas en pares en cuatro lugares distintos cerca del punto del experimento CMS.

Aunque los dos experimentos son científicamente independientes, TOTEM complementará los resultados que se obtengan en el detector CMS y por otros experimentos del LHC.

En este experimento participan 50 científicos provenientes de 10 instituciones de 8 países (2006)

 

LHCf, GRAN COLISIONADOR DE HADRONES ADELANTE

El experimento LHCf utiliza partículas hacia adelante creadas dentro del LHC como fuente para simular rayos cósmicos en condiciones de laboratorio.

Los rayos cósmicos están formados por partículas cargadas provenientes del espacio exterior y que constantemente bombardean la atmósfera terrestre. Chocan contra los núcleos de las partículas de la atmósfera superior, y generan una cascada de partículas que alcanza el suelo.

Estudiar la manera en que estas colisiones dentro del LHC causan cascadas similares de partículas ayudará a los científicos a interpretar y calibrar experimentos en gran escala de rayos cósmicos que pueden cubrir miles de kilómetros.

Este experimento involucra 22 científicos provenientes de 10 instituciones de 4 países (Septiembre 2006)

DETECTOR LHCf

Tamaño: dos detectores, cada uno mide 20 cm largo, 80 cm alto y 10 cm ancho.
Peso: 40 kilos cada uno
Ubicación: Meyrin, Suiza (cerca de ATLAS)

 

RED DE COMPUTACIÓN DEL LHC

El Gran Colisionador de Hadrones produce cerca de 15 petabytes  (15 millones de gigabytes) de información anualmente  -suficiente para llenar 1.7 millones de DVD de doble capa en un año.

Miles de científicos de todo el mundo desean tener acceso y analizar esa información, por lo que el CERN colabora con instituciones de 34 países para operar una infraestructura de computación distribuida y almacenamiento de información: el Worldwide LHC Computing Grid (WLCG).

La información de los experimentos del LHC se distribuye alrededor del planeta con un respaldo de información grabado en cinta en el CERN. Después de un procesamiento inicial, esta información se distribuye a once grandes centros de computación en Canadá, Francia, Alemania, Italia, Los Países Bajos, los países Nórdicos, España, Taipei, Gran Bretaña, y dos lugares en los Estados Unidos  -con la suficiente capacidad de almacenamiento para  una fracción de la información total, y con soporte las 24 horas del día para la red distribuida de computación.

Los llamados Centros “Tier-1” colocan estos datos a disposición de otros 160 centros “Tier-2” para tareas específicas de análisis. Los científicos pueden entonces tener acceso a la información desde su propio país, utilizando grupos de computadoras locales o incluso una PC.

 

El WLCG colabora muy de cerca con otros proyectos de redes en el mismo CERN:

La red de computación Worlwide del LHC ha sido la fuerza motora detrás de la Red de Infraestructura Europea (EGI por sus siglas en inglés), proyecto europeo multi-científico, que continúa creciendo en tamaño y diversidad para su uso. El EGI apoya la ciencia en más de 20 disciplinas, incluyendo bioinformática, imágenes médicas, educación, cambio climático, energía, agricultura, entre otras disciplinas.

CERN Openlab: El proyecto WLCG también colabora con la industria, en particular a través del CERN openlab, en donde las empresas líderes de Tecnologías de Información prueban y validan tecnologías de punta utilizando el ambiente del WLCG.

 

LA SEGURIDAD EN El LHC

El Gran Colisionador de Hadrones alcanza niveles de energía a las que ningún otro acelerador de partículas ha llegado antes, sin embargo, la naturaleza produce rutinariamente energías mayores en forma de colisiones de rayos cósmicos. Las preocupaciones sobre la seguridad de lo que se haga y cree en las colisiones de alta energía han sido tomadas en cuenta por muchos años. A la luz de la nueva información experimental y nuestra comprensión teórica, el Grupo de Evaluación de Seguridad del LHC (LSAG por sus siglas en inglés) ha actualizado la revisión del análisis realizado en 2003 por un grupo independiente de científicos, el Grupo de Estudio de Seguridad del LHC.

El LSAG reafirma y extiende las conclusiones del reporte del 2003, que indica que las colisiones no representan ningún riesgo y que no existen razones de preocupación. Lo que haga el LHC, la naturaleza ya lo ha hecho muchas veces en el lapso de la vida en la Tierra y otros cuerpos astronómicos. El reporte del LSAG ha sido confirmado y revisado por el Comité de Política Científica del CERN, un grupo externo de científicos que asesora el consejo de administración del CERN.

 

Datos y números del LHC

La máquina más grande del mundo…

La circunferencia del LHC tiene un tamaño preciso de 26,659 metros, con un total de 9300 magnetos dentro. El LHC no es sólo el acelerador de partículas más grande del mundo, sino que un octavo de su sistema de distribución criogénica calificaría como el refrigerador más grande del mundo. Todos los magnetos se pre-enfrían hasta -193.2 grados centígrados (80 K) utilizando 10,080 toneladas de nitrógeno líquido, antes de llenarlo con cerca de 120 toneladas de helio líquido para enfriarlos hasta los -271.3 grados centígrados (1.9K).

La pista de carreras más rápida en el planeta…

A todo su poder, cuatrillones de protones serán lanzados en una carrera alrededor del anillo acelerador del LHC 11,245 veces por segundo, viajando a el 99.9999991% la velocidad de la luz. Cada uno de los dos rayos de protones viajará a la máxima energía de 7 Tev (tera-electronvolt), con colisiones cabeza-cabeza de 14 TeV. Se tienen alrededor de 600 millones de colisiones por segundo.

El lugar más vacío en todo el Sistema Solar…

Para evitar colisiones con moléculas de gas dentro del acelerador, los rayos de partículas viajan en un vacío ultra alto  -una cavidad tan vacía como el espacio interplanetario. La presión interna en el LHC es de 10-13atm, 10 veces menos que la presión sobre la Luna.

Los lugares más calientes en la galaxia, pero más fríos incluso que el espacio exterior…

El LHC es una máquina de extremo calor y extremo frío. Cuando dos rayos de iones colisionan, generarán temperaturas 100,000 veces más calientes que el centro del Sol, concentrado en un espacio minúsculo. En contraste, el “sistema de distribución criogénico”, que hace circular helio alrededor del anillo acelerador, mantiene el LHC a una temperatura muy baja de -271.3°C (1.9 K) – menor aún que la existente en el espacio exterior.

Los detectores más grandes y más sofisticados construidos hasta el momento…

Para tomar un ejemplo y grabar los resultados de hasta 600 millones de colisiones de protón por segundo, los físicos e ingenieros han construido enormes dispositivos que miden estas colisiones con precisión de micrones. Los detectores del LHC tienen sistemas electrónicos de disparo muy sofisticados que miden con precisión el tiempo de paso de una partícula con exactitudes de billonésimas de segundo.  El sistema de disparo registra también la ubicación de las partículas a millonésimas de metro. Esta respuesta increíblemente rápida y precisa es esencial para asegurar que una partícula grabada en capas sucesivas de un detector es una y la misma.

El sistema de computación más poderoso en el mundo…

La información guardada para cada uno de los experimentos en el LHC llena alrededor de 100,000 DVDs de doble capa cada año. Para permitir a los científicos ubicados alrededor del planeta el análisis de estos datos durante casi 15 años (tiempo de vida estimado para el LHC), se ubicaron decenas de miles de computadoras localizadas alrededor del mundo y se utilizan en una red de sistema distribuido al que llaman Grid.

 

LOGROS DEL LHC

VIAJE HACIA UNA NUEVA FRONTERA

El acelerador LHC fue originalmente concebido en los 80s y aprobado para su construcción en el Consejo del CERN a finales de 1994. Hacer realidad este ambicioso plan científico resultó ser una tarea extremadamente compleja.

Los trabajos de ingeniera civil para excavar las cavernas subterráneas donde se alojarían los detectores gigantes para los experimentos iniciaron en 1998. Cinco años después, el último metro cúbico de tierra fue finalmente excavado.

Numerosas tecnologías de punta fueron llevadas a su nivel máximo para cumplir con exactitud las especificaciones del acelerador y sus demandas sin precedente alguno.

Anticipándose a la cantidad colosal de información proveniente de los experimentos en el LHC (cerca de 1% del promedio de información mundial), se creó una nueva forma de almacenamiento, manejo y compartición de datos y análisis en el proyecto LHC Computing Grid.

Por más de una década, la construcción del LHC ha sido un sueño para muchos de los que trabajaron duro para completarlo. Finalmente, podemos repetir y contar esta historia de aventuras, en una jornada que va del sueño a la realidad…

Los primeros pasos de un gran proyecto

La idea del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) inició a principios de los años 80. Aunque el Gran Colisionador de Electrones-Positrones (LEP) no era aún una realidad, ya que operó de 1989 al 2000, los científicos se adentraban un poco más allá en el futuro estudio de la física de partículas. Imaginaban el re-uso del anillo de 27 kilómetros utilizado por el LEP para una herramienta aún más poderosa.

Para alcanzar la intensidad y energía mayor en las colisiones, se propuso el uso de dos rayos de protones para la nueva máquina. Se le diO el nombre a ese nuevo proyecto de Gran Colisionador de Hadrones.

En 1984, en un simposio organizado en Lausanne, Suiza, se dio inicio oficialmente al proyecto del LHC. A partir de ese momento, el LHC se convirtió en una prioridad para el CERN.

Durante los años siguientes, se organizaron reuniones y grupos de trabajo organizados alrededor de estas ideas. En 1989, las primeras colaboraciones dieron inicio. Una reunión en Evian, Francia, en 1992, marcó el inicio para los experimentos del LHC como expresiones de interés.

Al mismo tiempo, se lanzó un programa para la construcción de cada vez más elaborados modelos y prototipos para estudiar la factibilidad técnica de tan sofisticado acelerador superconductor, que funcionaría a -271.3 °C.

La serie de reuniciones y estudios condujeron a una primera aprobación del proyecto por parte del Consejo del CERN en diciembre de 1994.

En 1995 Japón devino observador del CERN y anunció un apoyo financiero para el LHC. En 1996 y 1998, Japón realizó contribuciones importantes para el apoyo financiero del proyecto. En Marzo de 1996, India realiza un aporte financiero al proyecto, lo mismo hace Rusia en Junio. En diciembre, Canadá anuncia una contribución financiera y se estudia el protocolo que se utilizará para la cooperación de los Estados Unidos.

No fue sino hasta cuatro años después de las propuestas técnicas, en 1996, que oficialmente se aprueban los experimentos CMS y ATLAS.

Ambos experimentos tienen como objetivo principal el descubrimietno del bosón de Higgs, el cual explicaría la manera en que las partículas obtienen su  masa y estudiar la misteriosa masa perdida y la energía oscura en el universo.

En Febrero de 1997 el experimento ALICE es oficialmente aprobado. ALICE reusa el magneto L3 del LEP. Su objetivo es estudiar el plasma quark-gluón, un estado de la materia que podría haber existido en los primeros momentos del universo.

El proyecto DataGrid Europeo (EDG) se lanza en 2001, dos años después del nacimiento de la idea en Annapolis, Estados Unidos.

El proyecto prueba una infraestructura de red para una internet futura. La red debe conectar decenas de miles de computadoras de todo el mundo para uso de científicos y otros proyectos similares al LHC.

El mes de julio del 2008, dos grupos de partículas fueron aceleradas por primera vez en el acelerador y enviadas en direcciones opuestas alrededor del LHC.

 

Fuentes

1. CERN – the European Organization for Nuclear Research

2. The Physics Hypertextbook

3. Wikipedia

4. El camino a la realidad (Roger Penrose)

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