los aceleradores de partíuclas y el lhc
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1ª PARTE: LOS ACELERADORES DE PARTÍCULAS
GENERACIÓN, ACELERACIÓN Y DETECCIÓN DE PARTÍCULAS
GENERACIÓN DE PARTÍCULAS.
Para generar electrones basta calentar un filamento hasta su
incandescencia haciendo pasar por él una corriente eléctrica o enfocando un
láser directamente sobre él.
Cuando se pretenden generar protones es necesario ionizar átomos de
hidrógeno. Para ello se hace incidir un haz de electrones o de rayos X sobre
una válvula rellena de gas hidrógeno.
Los positrones se generan haciendo incidir fotones de energías
superiores a los 1,1 MeV sobre un blanco (de oro, tungsteno o cualquier otro
material pesado) Esa energía es la mínima necesaria para crear un par
electrón-positrón La eficiencia de esta generación es muy pequeña.
Para generar neutrones se utilizan protones generados como se ha
descrito, que impactan sobre blancos cuya probabilidad de generación de
neutrones es alta.
DETECCIÓN DE PARTÍCULAS.
Básicamente, son los instrumentos que ponen de manifiesto, y en muchos
casos hacen visibles, las partículas subatómicas.. Distinguimos varios tipos,
dependiendo del procedimiento de detección utilizado.
La cámara de ionización es un recipiente lleno de gas y provisto de dos
electrodos con potenciales diferentes. Las partículas ionizan el gas y estos
iones se desplazan hacia el electrodo de signo contrario, creándose una
corriente que puede amplificarse y registrarse mediante un contador. Los
contadores Geiger son un ejemplo de contadores electro-acústicos.
En el contador de centelleo, las partículas cargadas provocan un gran
número de destellos, tantos como partículas incidentes, en una sustancia
fluorescente (sulfuro de cinc, yoduro de sodio o antraceno).Estos destellos
se registran y amplifican en un tubo fotoeléctrico que produce una corriente
eléctrica, que es proporcional a la luz procedente de la sustancia
fluorescente.
Los detectores de trazas permiten observar las señales que deja a su paso
una partícula en la sustancia que contiene el detector. Son de este grupo las
emulsiones fotográficas, la cámara de niebla y la cámara de burbujas. El
principio fundamental de la cámara de niebla fue descubierto por Wilson en
1896, aunque el instrumento no llegó a construirse hasta 1911. Contiene
aire, saturado de vapor de alcohol, que inmediatamente se condensa sobre
los iones que producen las partículas ionizantes cargadas a su paso por la
cámara, lo que hacen visibles sus trayectorias. La cámara de burbujas,
inventada en 1952 por Glaser, es más exacta que la cámara de niebla, y
utiliza un líquido a una temperatura algo inferior a su punto de ebullición. A
lo largo de las trayectorias de las partículas que atraviesan el líquido se
forman minúsculas burbujas que permiten visualizarlas. Estos métodos
ópticos de detección han sido paulatinamente sustituidos por métodos
electrónicos de recogida de datos desde que Charpak, en 1968, inventó el
contador proporcional multicable, que permiten el registro de un número
mayor de sucesos.
Otros tipos de detectores emplean otras interacciones entre la materia y las
partículas elementales. Por ejemplo, el detector de Cherenkov se basa en
una radiación especial emitida por las partículas cargadas al atravesar
medios no conductores a una velocidad superior a la de la luz en dichos
medios.
Los detectores de última generación disponen un tipo de cámara de burbujas
conocida como cámara de proyección temporal que puede registrar las
trazas que dejan los haces de partículas en las tres dimensiones. En el
CERN existen detectores de varios pisos de altura, formados a su vez por
distintos tipos de detectores concéntricos. Examinando las trazas puede
deducirse la historia de las partículas desde su formación hasta la
desintegración.
Interacciones entre partículas elementales
fotografiadas en el Cern
ACELERADORES DE PARTÍCULAS DE ALTAS ENERGÍAS
- Aceleradores lineales.
Están formados por un conjunto de placas alineadas a las que se les aplica
un campo eléctrico alterno. Cando las partículas se aproximan a una placa
se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo
cuando la traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la
polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele la
partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa. El acelerador lineal
más largo del mundo es el colisionador electrón-positrón Stanford Linear
Acelerator (SLAC) de 3,2 km de longitud, al sur de California. Está en
proyecto construir, en un futuro próximo, un colisionador lineal de partículas
internacional (el ILC) de 31 km de longitud. Este acelerador sería el paso
siguiente al acelerador de partículas LHC de Ginebra.
SLAC
- Aceleradores circulares:
Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja añadida a los aceleradores
lineales al usar campos magnéticos en combinación con los eléctricos,
pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos.
Además las partículas pueden permanecer confinadas durante mucho
tiempo.
Sin embargo, poseen un límite en las velocidades que pueden alcanzarse,
debido a la radiación sincrotrón que emiten las partículas cargadas al ser
aceleradas. La emisión de esta radiación supone una pérdida de energía, que
es mayor cuanto más grande es la aceleración de la partícula, Llega un
momento en que la energía que se pierde iguala a la que se suministra al
acelerador. La partícula ya no puede seguir acelerándose. Algunos
aceleradores poseen instalaciones especiales que aprovechan la radiación
sincrotrón para producir Rayos X de alta energía.
Esta radiación es mayor cuando las partículas son más ligeras, por lo que se
utilizan partículas muy ligeras (principalmente electrones) cuando se pretende
generar grandes cantidades de esta radiación, pero generalmente se
aceleran partículas pesadas, protones o núcleos ionizados más pesados, que
hacen que estos aceleradores puedan alcanzar mayores energías. Este es el
caso del gran acelerador circular del CERN, donde el LEP, colisionador de
electrones y positrones, se ha sustituido por el LHC, colisionador de
hadrones.
Ciclotrón
En estos aceleradores las partículas se inyectan en el centro de dos pares de
imanes en forma de "D". Cada par forma un dipolo magnético y además se
les carga de forma que exista una diferencia de potencial alterna entre cada
par de imanes. Esta combinación provoca la aceleración, circular cuando la
partícula se encuentra dentro de uno de los pares, y lineal cuando está entre
los dos pares.
Estos aceleradores tienen un límite de velocidad bajo en comparación con los
sincrotrones debido a los efectos explicados anteriormente. Aun así las
velocidades que se alcanzan son muy altas, llamadas relativistas por ser
cercanas a la velocidad de la luz. Por este motivo se suelen utilizar unidades
de energía (electronvoltios y sus submúltiplos habitualmente) en lugar de
unidades de velocidad. Por ejemplo, para protones, el límite se encuentra en
unos 10 MeV (10 6 eV)
Además existe otra dificultad: cuando las partículas aceleradas en el ciclotrón
alcanzan una velocidad próxima a la de la luz, su masa aumenta de modo
apreciable, tal como predice la teoría de la relatividad. Esto hace que sea
más difícil acelerarlas, y provoca desfases en los pulsos de aceleración en
los huecos entre las des. El sincrociclotrón incorpora algunas mejoras
técnicas para minimizar este problema.
Sincrotrón
Para alcanzar energías superiores, del orden de los GeV (10 9 eV) y
superiores, es necesario utilizar sincrotrones.
El sincrotrón presenta algunas ventajas con respecto a los aceleradores
lineales y los ciclotrones. La principal es que son capaces de conseguir
mayores energías en las partículas aceleradas. Sin embargo necesitan
configuraciones de campos electromagnéticos mucho más complejos que
requieren de mayores capacidades tecnológicas e industriales.
En el laboratorio Fermilab, de Estados Unidos, está instalado el segundo
acelerador de partículas más potente del mundo (el primero es el LHC), el
Tevatrón. Se trata de un sincrotrón localizado a 50 kilómetros al oeste de
Chicago que acelera protones y antiprotones.
APLICACIONES TECNOLÓGICAS DE LOS ACELERADORES Y
DE LOS DETECTORES DE PARTÍCULAS
9000 aceleradores de los 17 000 que operan en el mundo se utilizan en
medicina.
Los ciclotrones se utilizan para la producción de radioisótopos de uso
médico, para la esterilización del material quirúrgico, en radiocirugía y en
algunos tratamientos oncológicos (radioterapia hadrónica). En la
radioterapia hadrónica, se aceleran protones o iones positivos, que
permiten depositar toda su energía en el tumor, después de haber recorrido
cierta distancia, sin que se vean afectados los tejidos de alrededor.
Los detectores desarrollados para las partículas se emplean hoy en día
en el diagnóstico por imagen: la tomografía por emisión de positrones o
tomografía PET. Esta técnica consiste en inyectar al paciente un marcador
radioactivo mezclado con glucosa, y luego introducirle en un detector PET.
Las células malignas absorben más glucosa que las sanas. El marcador
emite positrones que se convierten en fotones al interactuar con la materia,
indicando así dónde están esas células con crecimiento anormal. Como se
detectan los cambios bioquímicos de un órgano o de un tejido, se puede
identificar el comienzo de un proceso patológico antes de que se observen
los cambios anatómicos de la enfermedad, por medio de TACs.
Los aceleradores circulares también se utilizan para producir radiación
síncrota. Esta radiación se puede utilizar para estudiar la composición de
materiales. Analizando la composición de unos cabellos con esta técnica,
se encontró ciertas cantidades de plomo en la sangre de Beethoven y
cierta cantidad de arsénico en la de Napoleón.
Cerca de Barcelona se ha terminado de construir la primera fuente de luz
síncrota española, el sincrotrón Alba.
2ª PARTE: EL CERN Y EL LHC
EL CERN
El CERN en tres minutos
La Organización Europea para la Investigación Nuclear (nombre oficial),
comunmente conocida por la sigla CERN (sigla provisional utilizada en
1952, que respondía al nombre en francés Conseil Européen pour la
Recherche Nucléaire), es el mayor laboratorio de investigación en física de
partículas a nivel mundial.
Está situado en la frontera entre Francia y Suiza, en las cercanías de
Ginebra.
Como instalación internacional, el CERN no está oficialmente ni bajo
jurisdicción suiza ni francesa.
Fundado en 1954 por 12 países europeos, el CERN es hoy en día un
modelo de colaboración científica internacional y uno de los centros de
investigación más importantes en el mundo. Actualmente cuenta con 20
estados miembros, los cuales comparten la financiación y la toma de
decisiones en la organización. El CERN invierte unos 4.000 millones de
euros al año en nombre de sus estados miembros. Aparte de éstos, otros
28 países no miembros, participan con científicos de 220 institutos y
universidades, en proyectos en el CERN utilizando sus instalaciones. De
estos países no miembros, ocho estados y organizaciones tienen calidad
de observadoras, participando en las reuniones del consejo.
El objetivo del CERN es encontrar respuestas a los interrogantes que
conciernen al Universo, superar retos tecnológicos, dar formación a futuros
científicos e ingenieros y contribuir al entendimiento entre naciones a
través de la ciencia.
El éxito del CERN no se debe sólo a la obtención de resultados científicos
de gran interés, sino también a su participación en el desarrollo de nuevas
tecnologías tanto informáticas como industriales. En el CERN se obtuvo la
primera imagen de tomografía PET y se diseñó el World Wide Web, (www),
el sistema que se utiliza para navegar en Internet.
Actualmente el CERN está desarrollando una nueva tecnología de redes,
llamada GRID, que agrupará decenas de miles de ordenadores de todo el
mundo, creando un vasto y global sistema informático para los
experimentos del LHC. Esta tecnología posibilitará que 5.000 científicos
repartidos por todo el mundo y 500 universidades y centros de
investigación, puedan estudiar conjuntamente los resultados que ofrecerá
el LHC. Este sistema deberá procesar y distribuir los 10 millones de
gigabytes de información que se calcula que cada año generará el LHC.
CETRO DE COMPUTACIÓN DEL CERN
EL LHC
El CERN cuenta con una serie de aceleradores de partículas entre los que
destaca el LHC (Large Hadron Collider, Gran Colisionador de Hadrones),
un acelerador circular que constituye la máquina más grande jamás
construida. Este acelerador está instalado en un túnel de 27 km de
circunferencia, a una profundidad que oscila entre los 50 y los 150 m. Este
túnel se construyó en la década de 1980 para alojar el acelerador anterior,
el Gran Colisionador Electrón-Positrón (LEP, de sus siglas en inglés).
Al proyecto LHC contribuyen más de 10.000 científicos e ingenieros de
unas 500 instituciones académicas y empresas del mundo.
Un acelerador más antiguo, el Supersincrotrón de Protones, inyectará
haces de protones y de iones en el LHC. Los potentes imanes bipolares del
colisionador (1232 en total) obligarán a los protones a describir órbitas
circulares, los cuadripolos magnéticos focalizarán los haces, impidiendo su
dispersión debido a la repulsión eléctrica entre los protones, y las
cavidades de radiofrencuencia acelerarán a los protones hasta la energía
final de colisión. El LHC utilizará los imanes bipolares y las cavidades de
radiofrecuencia más potentes de las fabricadas por el hombre hasta la
fecha.
El LHC operará a la temperatura de 1,9 K. A esta temperatura todos los
cables de los imanes dipolares (de niobio y titanio) se comportarán como
semiconductores conduciendo la corriente sin resistencia. Como fluido
refrigerante se utilizará helio. Se necesitarán 120 toneladas de helio en el
proceso. El LHC es el sistema criogénico más grande del mundo y uno de
los lugares más fríos de la Tierra (la temperatura media del Universo es de
2,7 K)
Los 54 km de tubos son vaciados de aire durante unas tres semanas
gracias a unas bombas especiales, para que los protones no choquen con
las moléculas de aire y por tanto no se desvíen de su trayectoria. Además
el interior de los tubos tiene un revestimiento especial, con la propiedad de
atrapar las moléculas de aire residual, como si se tratara de un papel mata-
moscas. Los tubos encierran por tanto, uno de los espacios más vacíos del
sistema solar. La presión en su interior es del orden de una mil millonésima
de atmósfera.
Dos haces de hadrones, agrupados en paquetes (bunches), circularán en
sentidos opuestos, a velocidades próximas a la luz, y se cruzarán en cuatro
puntos del recorrido donde estarán situados los detectores. Cada haz
contendrá 3.000 paquetes de partículas, y cada paquete contendrá unos
100.000 millones de partículas. Aunque las partículas son tan pequeñas
que la probabilidad de que dos de ellas choquen es muy pequeña, el LHC
generará hasta 600 millones de colisiones por segundo. Cada protón del
acelerador dará 11.245 vueltas por segundo. Un haz circulará hasta 10
horas seguidas, en las cuales recorrerá 10.000 millones de kilómetros, una
distancia equivalente a ir hasta el planeta Neptuno y volver.
El acelerador funcionará unas diez horas diarias. Cada día se vaciarán los
tubos y se volverán a inyectar dos haces nuevos de partículas, para
garantizar al máximo la cohesión de los paquetes. Las partículas son
extraídas en la sección de evacuación del anillo, lanzándose contra
cilindros de grafito de 8 m de longitud y 1 m de diámetro, donde se
dispersan y se paran.
Cada una de las colisiones entre dos protones generará 14 TeV (10 12 eV)
de energía y cada una de las colisiones entre iones pesados generará
1150 TeV. Ambas energías de colisión nunca han sido alcanzadas antes
en un laboratorio.
En términos absolutos, estas energías, comparadas con las energías con
las que convivimos todos los días, no son espectaculares. De hecho, 1 Tev
es aproximadamente la energía asociada al movimiento de vuelo de un
mosquito. Lo que hace al LHC tan extraordinario es que concentra esa
energía en un espacio de aproximadamente tres billones de veces más
pequeño que un mosquito.
Los científicos habrán de tener en cuenta la posición de la luna en el
momento de inyectar los haces de partículas en el colisionador. En las
fechas de la luna llena y la luna nueva, la corteza terrestre asciende unos
25 cm en el área de Ginebra. Este movimiento causa una variación de 1
mm en el perímetro del LHC lo que provoca variaciones en la energía del
haz de partículas.
El acelerador de partículas LHC
Los principales detectores del LHC son:
- El CMS Y EL ATLAS: Concebidos para investigar las fuerzas
fundamentales del Universo y la naturaleza básica de la materia. Los dos
detectores tomarán datos comparables sobre las partículas.
- El ATLAS es un detector, de forma toroidal de siete pisos de altura.
Nunca se había construido hasta ahora un detector tan grande como el
ATLAS. La catedral de Notre Dame cabría dentro de la caverna que aloja el
ATLAS. Más de 1900 personas trabajan para el ATLAS, en 35 países.
- El imán solenoide más grande del mundo irá encajado en un cilindro de
acero en el interior del CMS. Contiene diez mil toneladas de hierro, más
cantidad de la que hay en la Torre Eiffel. Este imán creará en su interior un
campo magnético de 4 TeV, 100 000 mayor que el campo magnético
terrestre. Más de 2 000 personas trabajan para el CMS, en 38 países. Uno
de los centros españoles colaboradores es el CIEMAT (Consejo de
investigaciones energéticas, medioambientales y tecnológicas).
El ATLAS y el CMS, los dos experimentos más impresioantes del LHC son
grandes rivales. Ambos quieren desvelar los mismos misterios de la
naturaleza utilizando tecnologías y diseños muy diferentes.
- EL ALICE. analizará las colisiones de núcleos de plomo para estudiar el
plasma de quarks y gluones, un estado de la materia que existió
inmediatamente después del big bang.
Más de 1 500 personas trabajan en el ALICE, en 31 países.
- EL LHcb: puede ayudar a los científicos a entender por qué el big bang
produjo un universo con más materia que antimateria.
¿CUÁLES SON LOS PRINCIPALES COMPONENTES DE
ESTOS DETECTORES?
El objetivo de los grandes detectores instalados en el LHC es identificar las
partículas secundarias producidas en las colisiones, midiendo sus cargas,
momentos y energías. Para conseguirlo, los detectores tienen muchas
capas o “subdetectores” cada uno de los cuáles tienen una función
específica en la reconstrucción de las colisiones:
El subdetector de trazas de vértice (el tracker), el más próximo a la
zona de colisión, registra las trazas que dejan las partículas cargadas bajo
la acción de un campo magnético.
Le siguen diversos calorímetros que miden la energía de las partículas
parándolas y midiendo la energía liberada en el proceso. El calorímetro
electromagnético absorbe los electrones y los fotones, y el calorímetro
de hadrones absorbe las partículas más pesadas como los protones o los
piones.
Por último la cámara de muones, que registra las trazas de estas
partículas que son las únicas capaces de atravesar todas las capas más
internas del detector sin ser absorbidos.
¿QUÉ RESPUESTAS BUSCAN LOS CIENTÍFICOS EN EL
LHC?
Muchas son los interrogantes que tiene la Física Fundamental en la
actualidad. La búsqueda de las leyes que rigen el Universo está lejos de
haberse terminado.
¿Cómo se genera y distribuye la masa de las partículas? ¿Por qué unas
partículas son tan masivas y otras ni siquiera tienen masa (los fotones)?
Una teoría reciente mantiene que todo el espacio podría estar lleno del
llamado “Campo de Higgs” y que sería interaccionando con dicho campo
como las partículas adquirían sus masas.
Diariamente observamos sólo las partículas de la primera generación
(electrones, neutrinos e- y quarks up/down). Por qué la naturaleza no
"necesita" las otras dos generaciones?
¿Cómo explicar el estado de la materia en los primeros instantes del
Universo?
Las colisiones que se producirán en el LHC generarán suficiente energía
como para que los quarks se liberen de la influencia de los gluones
creando un estado de la materia denominado plasma de quarks y de
gluones. Ese estado probablemente existió justo después del Big Bang,
cuando el Universo todavía era extremadamente cálido. Las partículas que
se encuentran hoy en abundancia en el Universo (los protones y los
neutrones) se habrían formado en ese plasma.
Actualmente los físicos de partículas hablan de cosmología, y los
cosmólogas de física de partículas. Nuestra existencia y todo nuestro
universo derivan de sucesos que acontecieron en la escala más
pequeña imaginable.
En teoría, cuando el universo primigenio inició su expansión, la energía
debería haberse condensado en cantidades iguales de materia y
antimateria, las cuales se habrían aniquilado mutuamente al entrar en
contacto y habrían revertido en energía. Sobre el papel, el universo debería
estar vacío, y sin embargo domina en él la materia ¿En qué momento, y
cómo surge la asimetría entre la materia y la antimateria?
En el año 2008, tres científicos japoneses fueron galardonados con el
Nobel de Física por sus esfuerzos en la búsqueda de respuestas sobre
esta cuestión.
¿Cómo se encuentra la materia en los agujeros negros?
Actualmente los científicos piensan que el Universo está constituido en
un 74% de energía oscura, un 22 % de materia oscura y un 4% de materia
visible. Pero, ¿cuál es la naturaleza de la “energía oscura”, esa energía
desconocida que justificaría la aceleración observada de la expansión del
Universo?
¿Cuál es la naturaleza de la “materia oscura”, esa otra materia que sólo
se aprecia por sus efectos gravitacionales y que no radia energía? Una
posible respuesta podría estar en la teoría de la supersimetría, según la
cual a cada partícula fundamental le habría correspondido un compañero
mucho más masivo en el universo primigenio. Es posible que muchos de
esos supercompañeros fueran inestables, pero que algunos de ellos
tuvieran suficiente estabilidad para sobrevivir desde el principio de los
tiempos.
La materia oscura es responsable del 90% de la materia. ¡Estamos
rodeados de materia oscura!
No se ha visto aún ninguna partícula supersimétrica.
La partícula supersimétrica más ligera, el neutralino, podría integrar la
ausente materia oscura.
Para concluir una pregunta muy extendida ¿Son las colisiones del LHC
peligrosas?
Y una respuesta tranquilizadora: Los aceleradores sólo recrean el
fenómeno natural de los rayos cósmicos en condiciones experimentales
controladas. Los rayos cósmicos han estado bombardeando la atmósfera
terrestre continuamente desde su formación, hace 4,5 millones de años. Si
la Tierra ha sobrevivido hasta nuestros días en estas condiciones, no hay
por qué pensar que no va a seguir siendo así.
PÁGINAS WEB DE INTERÉS:
Viaje al corazón de la materia, de Francisco Barradas y
Alberto Izquierdo.
El cpan en el Instituto
(VISITA AL CERN EN OCTUBRE DEL 2009)
NURIA LÓPEZ VARELA (PROFESORA DE FÍSICA Y QUÍMICA
DEL I.E.S LÁZARO CARRETER DE RIVAS VACIAMADRID)