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LHC: viaje al centro de la materia

27/03/2014

 

A 100 m bajo el suelo de la frontera franco-suiza se ultima el proyecto científico más ambicioso del mundo:el gran colisionador de protónprotón,el LHC (Large Hadron Collider).Durante los próximos 30 años será la herramienta con la que los científicos intentarán responder a las mayores incógnitas de la ciencia.

En términos muy simples, el gran colisionador de hadrones (LHC) es un aparato que hará circular dos haces de protones (o de iones pesados en algunas ocasiones) en dos sentidos opuestos a una velocidad muy próxima a la de la luz.

Esos protones girarán y girarán alrededor del túnel por el que son proyectados en un haz,tomando cada vez más fuerza cinética,y cuando se alcancen los niveles óptimos para el experimento y el haz esté estabilizado,se harán chocar las que van en un sentido con las que van en el sentido contrario y las tremendas colisiones generarán eventos de energía que se transformarán en unas partículas muy especiales,que son las que se quieren estudiar.

Para conseguirlo, se están instalando cuatro grandes aparatos dentro de los cuales se producirán los choques. Estos cuatro detectores se hallan preparados para revelar las partículas que se generen y para rastrear su comportamiento.

En busca de respuestas

Esta imagen tan simplista del proyecto del LHC en realidad entraña un proceso que requiere de una instalación muy especial. Se trata de una obra faraónica para la que están siendo necesarios varios años de proyección hasta que el acelerador comience a operar en julio de 2007, el trabajo de 2.500 científicos implicados directamente y algunos miles más repartidos por todo el mundo que de un modo u otro contribuirán al proyecto.

El coste se calcula en unos 2.100 millones de euros. Pero el resultado valdrá realmente la pena. Para tener una idea de lo fascinante del proyecto, se espera que a lo largo de los 30 años de funcionamiento del complejo se dé respuesta a incógnitas muy importantes del llamado modelo estándar, que en Física de partículas es el que se encarga de explicar los fenómenos que tienen que ver con las partículas elementales y las interacciones entre ellas.

Una de las incógnitas de este modelo es por qué las partículas elementales tienen masa y por qué ésta es diferente para unas y otras. La respuesta puede hallarse en un hipotético campo que llenaría el espacio, se conoce como campo de Higgs, y que daría masa a las partículas.

Aún no está demostrada su existencia más que teóricamente (desde los años sesenta), pero se espera que con el LHC se pueda cazar a uno de los componentes fundamentales de ese hipotético campo: el bosón de Higgs.

Otros experimentos se encargarán de detectar si existen partículas supersimétricas, lo que significaría un paso decisivo en la confirmación de la teoría unificadora, que postula que antes del Big Bang, las cuatro fuerzas físicas fundamentales –la gravitacional, la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte– estaban unidas en una sola. Y un tercer campo que se espera estudiar con la ayuda de este complejo es la antimateria.

La herramienta

Para intentar dar respuesta a estas preguntas –y a las nuevas que irán surgiendo por el camino a medida que se acometan los experimentos– se utiliza una herramienta muy especial que vendría a ser como un microscopio extremadamente potente, sólo que en este caso no se trata tanto de ver nada, sino de detectarlo. Y su construcción tiene unas dimensiones únicas en un proyecto de investigación científica.

Básicamente, el complejo del acelerador de partículas consiste en unos túneles circulares diseñados para acelerar y lanzar las partículas,cuatro enormes aparatos distribuidos a lo largo del túnel en los que se producirán choques de partículas y se detectarán sus efectos y edificios de control de los experimentos, así como de todo el complejo.

Tanto el túnel como los detectores están situados a una profundidad bajo el suelo de unos 100 m de media (ya que el anillo principal no es paralelo al suelo,sino que tiene una inclinación). El túnel de 27 km de extensión y 3,7 m de sección no se ha excavado, puesto que se está aprovechando el utilizado por el anterior acelerador que dejó de funcionar en 2000 (el LEP).

Sí ha sido necesario acometer nuevas excavaciones para alojar dos de los cuatro experimentos. En concreto, se trata de los que requieren del uso de los detectores más grandes, el conocido como ATLAS (aparato LHC toroidal): una gigantesca máquina del tamaño de un edificio de cinco plantas, y el CMS (solenoide compacto de muones), otro gran aparato de más de 15 m de diámetro y 21 de largo.

Del LEP se ha aprovechado una gran parte de las infraestructuras, desde los sistemas de ventilación y refrigeración a la mayoría de la instalación de distribución de electricidad, así como los 37 edificios en superficie destinados a alojar compresores, equipos de ventilación, equipos eléctricos, control de acceso y control de la electrónica, si bien el proyecto ha tenido que incluir nuevas construcciones para ATLAS y para CMS.

De cara a los dos experimentos más pequeños, denominados Alice y LHCb sólo se ha necesitado una pequeña modificación de las infraestructuras disponibles, mientras que un quinto experimento, TOTEM, se llevará a cabo en el CMS.

Una autopista de partículas

La principal instalación del LHC es el colisionador,un anillo que recogerá los haces enviados por otros aceleradores más pequeños instalados previamente: un acelerador lineal de protones, un sincrotón protón booster, un protón sincrotón (PS) y un súper protón sincrotón (SPS). Unos se unen a otros mediante instalaciones y varios conductos especiales.

El enlace del último de ellos, el SPS, también se ha tenido que construir para conectarlo al nuevo LHC. Cada haz de protones que se generará en el sistema estará compuesto por 2.808 paquetes que contendrán, cada uno, 115.000 millones de protones. La energía total de cada haz, en el momento de mayor energía, será de 334 MJ o, lo que es lo mismo, el equivalente a 120 kg de TNT.

La manera en la que se consigue dominar y acelerar un haz de partículas como ese, una vez generado, es sin duda una de las técnicas más fascinantes desarrolladas por la ciencia y para ello se utiliza un acelerador. Básicamente es un tubo de metal en cuyo interior se ha producido un vacío gracias a un complejo sistema que extrae el aire de su interior.Una vez dentro de este tubo los protones o las partículas que se quieran colisionar son acelerados mediante campos eléctricos.

Para conseguir esto, hay una serie de amplificadores que emiten ondas de radio y éstas se llevan a unas cavidades en donde resuenan. Al atravesar estas cavidades existe una parte de las ondas de radio que se transfieren a las partículas, acelerándolas. En el caso del LHC, en donde las partículas serán aceleradas siete veces más que cuando sean inyectadas desde el anterior acelerador (el SPS), habrá dos sistemas de radiofrecuencia (RF), cada uno con ocho cavidades.

La cuestión es ¿cómo se hace para que con dos sistemas de RF se pueda obtener una gran aceleración? Los científicos resolvieron este reto hace tiempo: construyendo los aceleradores de forma circular y provocando que las partículas pasen una y otra vez por las cavidades. Puede parecer una cuestión simple, pero no lo es puesto que cuanta más potencia de impacto se requiera más complicado se vuelve todo.

De hecho, éste es uno de los pasos más difíciles en el LHC. Para hacer que el haz de protones se curve por el tubo de metal, es necesario utilizar un sistema de imanes muy potentes llamados imanes dipolares.Pero no son los únicos que se usarán en el LHC. Otros, conocidos como imanes cuadripolares, son los que hacen que la anchura y altura del haz sea la adecuada para que se enfoque y quede dentro del tubo de vacío. En total, los conjuntos de imanes utilizados en el LHC llegan a los 5.000.

Campos magnéticos titánicos

Para lograr multiplicar por 70 la energía que consiguió en su mejor momento el antiguo LEP, se ha desarrollado un novedoso sistema de imanes dipolares.Cada uno de ellos contiene dos cavidades por las que se proyectarán los haces (una para cada sentido) y serán los encargados de hacer que las partículas giren por el túnel del acelerador.

El hacer circular los dos haces por dos conductos alojados en un mismo tubo ha sido un reto técnico, pero ha supuesto un ahorro de un 25% en el coste total del proyecto, así como un enorme ahorro de espacio. En total, el proyecto comprende 1.232 de estos imanes dipolares que se ocupan de curvar los haces de protones, y cada uno de ellos tiene 14 m de largo y pesa 35 t, lo que da una idea del gran trabajo que supondrá colocarlos todos (en estos momentos aún se están instalando).

En su producción se emplearán unos 7.000 km de cable, cien compañías europeas se encargarán de la fabricación de sus componentes y otras tres de su montaje. Un esfuerzo verdaderamente impresionante, aunque lo que son capaces de hacer estos imanes dipolares lo es aún más: generarán un campo magnético 100.000 veces más potente que el de los polos terrestres.

La razón de que sean tan potentes se debe a que son superconductores, es decir, que gracias al material con el que están fabricados y al estar refrigerados a muy bajas temperaturas, tienen poca resistencia eléctrica y una ínfima pérdida de potencia.

En lo que se refiere al material utilizado, cada cable de los que forman las bobinas de los imanes está compuesto por 36 cables más pequeños con un diámetro de 0,825 mm y, a su vez,cada uno de estos está conformado por 6.300 filamentos de niobio-titanio,diez veces más finos que un cabello humano, que están recubiertos por una capa de cobre de muy alta pureza de 0,0005 mm (media micra).

Extrema refrigeración

El material no es el único componente esencial en los imanes dipolares. La tecnología utilizada para las bobinas fue inventada en 1960 y utilizada por primera vez en un acelerador en 1987, pero nunca hasta ahora se había llevado a un extremo como el que se necesita en el LHC.

Para conseguirlo, hace falta un segundo factor fundamental en el sistema magnético del colisionador: mucho frío. Los imanes del LHC operarán a una temperatura de 300º por debajo de la del ambiente, lo que en términos prácticos supone más frío que en el espacio exterior. Gracias a esta extrema refrigeración se evita la aparición de puntos calientes producidos por la fricción mecánica que se puede originar por las variaciones del campo magnético, algo que provocaría y llevaría al imán a salir de su estado superconductivo.

Si se produjera esa situación, el sistema se pararía durante varias horas. Con el fin de alcanzar y mantener la temperatura de operación requerida, los imanes funcionarán sumergidos en helio superfluido. Este tipo de material tiene unas propiedades muy especiales que permiten trasladarlo desde más de un kilómetro de distancia con una pérdida de temperatura (calentamiento) mínima.

Para el sistema criogénico también se han aprovechado las cuatro crioplantas que ya existían para el LEP, si bien se ha aumentado su potencia de enfriamiento. Asimismo se utilizarán compresores de helio con una innovadora tecnología. El acelerador empleará 700.000 l de este gas, aunque antes habrá que llevar las 31.000 t de material del LHC a una temperatura inicial de frío, fase en la que se evaporarán del orden de otros 12 millones de litros.

El comienzo del viaje

Aunque ése es el funcionamiento básico del LHC, el colisionador es sólo el principio del viaje hacia el descubrimiento de las grandes preguntas de la Física actual. Una vez acelerados los protones –o los iones– deben colisionar en los cuatro puntos de experimentos en los que se han instalado diferentes detectores.

Los detectores se sirven de distintas técnicas para observar las partículas. Como se trata de elementos realmente pequeños, la mayoría de las partículas que interesan a los físicos ni siquiera son visibles.

Por ejemplo, las cámaras de trayectoria muestran, como su nombre indica, el trazado que dejan las partículas,por lo que se puede saber, observando las marcas que hacen, algunos datos significativos sobre ellas, como el tipo de carga que tienen (ya que se curvan hacia un lado u otro) y su momento (si es alto, su traza es muy recta y si es bajo,su rastro deja pequeñas espirales).

Los calorímetros son otra de las herramientas de detección utilizadas durante los experimentos. Son capaces de parar y absorber rápidamente la mayoría de las partículas y medir su energía. Sin embargo, los calorímetros no son capaces de cazar a los muones y neutrinos. Los primeros son localizados y detectados por detectores especiales de muones, que dejan su traza en ellos.

Los neutrinos, sin embargo, no son detenidos por ningún detector, por lo que continúan su camino y se sabe de su existencia ya que existe un descuadre entre la energía detectada al inicio de la colisión y al final de la misma.

Después del Big Bang

Todos estos detectores están de una manera u otra combinados en los distintos sistemas de los cuatro experimentos enlazados al LHC. ATLAS y CMS se encargarán de llevar a cabo experimentos de carácter general, ALICE será capaz de generar plasma gluón-quark, un estado de la materia que los científicos creen que existió tras el Big Bang durante unas pocas millonésimas de segundo; LHCb tiene como objetivo explicar qué pasó con toda la antimateria que teóricamente se debió generar en el Big Bang y que luego desapareció dejando paso a la materia.

En definitiva, el LHC no es sólo el proyecto científico más ambicioso de la Historia, sino que también está resultando unos de los más apasionantes en lo que al desarrollo técnico e industrial se refiere. Su construcción está suponiendo un interesante paso en algunos aspectos de la investigación técnica que tendrán después otras aplicaciones.

Desde los sistemas criogénicos más avanzados, a los cables de superconductividad o la computación distribuida, las herramientas usadas en el LHC son verdaderas pioneras y marcan el camino para otros usos industriales.

Para saber más:

CERN www.cern.ch Proyecto LHC

http://lhc.web.cern.ch

Boletín interno de física de altas energías

www.cerncourier.com

Departamento de aceleradores del CERN http://ab-div.web.cern.ch

Web de comunicación del LHC www.interactions.org

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USOS PRÁCTICOS DE LOS ACELERADORES

Desarrollar herramientas y técnicas para los aceleradores de partículas tiene una serie de contrapartidas prácticas que contribuyen a mejorar la vida de las personas. Las técnicas basadas en la radiación sincrotrónica son utilizadas para ayudar en la investigación de la estructura de virus como el VIH o el comportamiento de algunos plásticos, mientras que las empleadas en la espectrometría de masas se han trasladado a las pruebas del carbono 14 para datar objetos históricos y paleontológicos.

Los aceleradores que emiten haces de partículas inestables tienen aplicación, por ejemplo, en el análisis de semiconductores. Una de las prometedoras derivaciones que se espera que tenga la tecnología creada para los aceleradores es el desarrollo de precisos láseres con la función de ser utilizados en aplicaciones médicas, los cuales son capaces de no afectar a los tejidos sanos alrededor del corte.

Otra técnica que aún está por desarrollar a las que los aceleradores están contribuyendo es la generación de energías más potentes y limpias basadas en reacciones nucleares.

 

UN EXPERIMENTO EN CASA

La cantidad de datos que se recogerán y que habrá que procesar en los experimentos que se llevarán a cabo en el LHC tendrán un volumen de unos 15 petabytes (15 millones de gigabytes) anuales.

Para analizar semejante cantidad de información, el CERN ha desarrollado un nuevo sistema de computación distribuida que, básicamente, consiste en que muchos ordenadores de diferentes centros de investigación conectados a Internet colaborarán entre sí de manera automática para procesar esos datos.

Aunque esta área del proyecto científico usará grandes ordenadores especializados, hay sin embargo una parte en la que están colaborando los ordenadores personales de miles de usuarios particulares alrededor del mundo. Gracias a la iniciativa LHC@home (LHC en casa) se puede participar en la realización de simulaciones de proyecciones de partículas a lo largo del anillo, de modo que es posible estudiar si siguen la trayectoria adecuada o si chocan contra las paredes del mismo.

Sin duda, una idea excepcional que permite a todos participar del mayor experimento científico de la Historia, aunque sea con un pequeño, pero importante, grano de arena. Más información: athome.web.cern.ch.

 

UN EXPERIMENTO HISTÓRICO

✑ El LHC es el proyecto científico más ambicioso realizado hasta la fecha y se espera que cambie nuestro conocimiento fundamental sobre el universo.

✑ El CERN es el laboratorio más grande del mundo dedicado a ciencia básica.

✑ Los filamentos combinados del cable superconductor que se está fabricando para el LHC tienen una longitud que daría la vuelta al mundo unas 6,8 veces.

✑Una parte del LHC será el mayor congelador del mundo, con capacidad para conservar 140.000 salchichas a una temperatura inferior a la del espacio exterior. Los imanes dipolares generarán un campo magnético 100.000 veces más potente que el de los polos terrestres

✑ La caverna del experimento Atlas podría albergar la nave central de la famosa catedral de Notre Dame (París).

✑ Cuando se excavó el túnel circular original de 27 km, el principio y el final tenían una descompensación de tan sólo un centímetro.

✑ El LHC podrá detectar las partículas de Higgs si es que éstas existen.

✑ Cuando los protones llegan al LHC viajan a una velocidad que es 0,999997828 veces la de la luz y cada protón da unas 11.000 vueltas por segundo al anillo de 27 km. Cuando alcancen su velocidad máxima, los protones viajarán a 0,999999991 veces la velocidad de la luz.

 

PRECISIÓN ABSOLUTA

La precisión en un proyecto de estas características es indispensable. Y aun con todas las medidas que se toman habrá que realizar ajustes posteriores. Uno de los experimentos que se efectuaron con el anterior acelerador (LEP), el que tenía como objetivo medir la masa del bosón Z, ilustra muy bien hasta qué punto llega la precisión de las pruebas hechas en una instalación como ésta.

Los científicos descubrieron variaciones en el peso del bosón, que se debían a la influencia de las mareas y, una vez acometidos los ajustes necesarios para neutralizar este efecto, comprobaron que el cambio estacional en el nivel de agua de un lago próximo al experimento también influía en el peso de la partícula. Cuando todo parecía ajustado, se siguieron produciendo variaciones, esta vez por el paso de un tren cuyo campo electromagnético influía en el experimento al pasar cerca.

 

EL ACELERADOR MÁS POTENTE

El nuevo LHC acelerará los haces de protones a 7 TeV por protón (y cuando choquen unos con otros lo harán a 14 TeV). Para hacerse una idea de la cantidad de energía que eso supone, una pila suele producir 1 voltio (eV) y los procesos nucleares, tales como la fisión nuclear, implican un millón de electronvoltios (1MeV). El acelerador de partículas del Fermilab (en Estados Unidos) acelera los protones a un millón de millón de electronvoltios (1 TeV) y el LHC del CERN lo hará a siete veces esa potencia.