El LHC erar la física
2008/04/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
La sustitución de una máquina por otra más moderna es lógica, pero en este caso se trata de un cambio muy valiente, el acelerador LEP, que fue desmontado por ser el más poderoso del mundo.
Y sabían que necesitarían años para sustituirlos. Al final han sido siete y medio, y eso es mucho tiempo para la investigación. En la investigación de la física de partículas se vieron obligados a paralizar o suspender muchos proyectos. Esto retrasó los planes de muchos grupos. Es de suponer que el nuevo acelerador merecía este retraso.
Qué esperan
Se cree que el acelerador LHC compensará la interrupción: es mucho mejor que el anterior, aunque físicamente ocupa el mismo lugar. Dado que se ha utilizado el mismo orificio para la nueva instalación, el tamaño de la misma es igual a la OPE: Conducto circular de unos 27 kilómetros. Se encuentra bajo el límite entre Suiza y Francia, en el subsuelo, a 50 metros en el punto más alto y a 175 metros en el punto más profundo. Es el mismo agujero que la antigua LP, y sin embargo, para instalar un nuevo y potente detector, han tenido que ampliar el hueco en algunas zonas cercanas al acelerador. Sin embargo, se trata de una tubería de recorrido básicamente circular. Un par de tubos es, en realidad, dos paralelos que se cruzan en varios puntos. Los físicos acelerarán las partículas en los tubos y les harán chocar en las intersecciones.
Este es el objetivo de un acelerador: generar colisiones de gran energía entre las partículas. Los físicos detectarán y analizarán los resultados de las colisiones para investigar las partículas originales. Y ahí está la principal diferencia entre el acelerador antiguo y el nuevo, el LHC tiene una capacidad de generación de energía mucho mayor que el LEP antiguo.
¿Cuánto? Se puede poner en números. Los físicos suministran el dato de la energía generada por los aceleradores en electrón-voltios (eV). Un electrón es la energía que aporta el potencial de un volt a un electrón. La mayor energía obtenida por el acelerador LEP fue 209 GeV (209.000 millones de eV), y los expertos estiman que el LHC alcanzará los 7 TeV (7 billones eV). Esto significa que las partículas chocarán con una energía de 14 TeV.
¿Y con esa energía, qué? Pues con esa energía harán experimentos que todavía no han imaginado. En el antiguo LEP se aceleraban electrones y partículas similares (de ahí el nombre de Large Electron-Positron collider). Pero el objetivo del LHC es acelerar los protones. Esto requiere mucha más energía, ya que los protones son 1.836 veces más pesados que los electrones. En realidad, además de los protones, acelerarán otras partículas, pero de tamaño protónico o mayor. Este tipo de partículas se denominan hadrones, por lo que han dado su nombre al LHC: Large Hadron Collider.
Bosón Higgs
La aceleración del hadrón hasta la energía de 7 TeV ha sido un sueño hasta ahora. Pero desde que lo vieron posible, los físicos comienzan a inventar nuevos experimentos. Saben perfectamente qué van a hacer con el nuevo acelerador, al menos a corto plazo.
El primer objetivo es encontrar una partícula llamada bosón Higgs. En la actualidad casi nadie escribe sobre el acelerador LHC sin mencionar el bosón Higgs. Del mismo modo, nadie sabe si existe o no el bosón Higgs porque nunca lo han detectado. Algunos científicos dicen que sí, que ha aparecido en una serie de choques violentos, pero que de alguna manera los investigadores que han hecho el experimento no se han dado cuenta porque estaban buscando otras partículas. Sin embargo, este debate es estéril por el momento, entre otras cosas porque van a necesitar un acelerador LHC para poder demostrar si o no. Por lo tanto, se puede decir que por el momento no se ha detectado el bosón Higgs.
Pero debe existir en base a una hipótesis que explica por qué existe mejor la masa. La detección del bosón Higgs supone un gran paso en la investigación de la física de las partículas (algunas no dirían “si se detectara el bosón Higgs”, sino que “cuando encuentren el bosón Higgs”, convencidos de que pronto lo encontrarán, aunque es preferible ser prudentes).
De hecho, muchos físicos pidieron que el acelerador LEP no se cerrara porque supuestamente estaban a punto de detectar el bosón Higgs. Se solicitó a la dirección del CERN que esperase un año. La dirección les dio un mes para detectar las indicios de que realmente se detectaría la partícula Higgs. Pasado ese mes, los físicos afirmaron que sí, que habían probado que estaban cerca de detectar, pero la dirección del CERN les dijo que no. Y cerraron el acelerador LEP.
Además del bosón Higgs
La búsqueda de una sola partícula no satisface las ganas de experimentar con la física moderna, aunque ésta sea el bosón Higgs. Y es que, a pesar del bosón Higgs, los físicos tienen grandes expectativas.
Se cree que van a poner en marcha experimentos que respondan a muchas preguntas de la física básica. Para cada tipo de experimento, además, se ha instalado un detector especial (o un grupo de detectores especiales) en el LHC. En cuatro puntos de colisión se han instalado seis instalaciones. Se han bautizado como experimentos y la mayoría son instalaciones gigantes.
Buscan respuestas a preguntas básicas. La búsqueda del bosón Higgs puede ayudar a explicar qué es la masa. Asimismo, se investigará en qué consiste la carga eléctrica en el LHC, ya que buscará los componentes básicos de las partículas cargadas y se estudiarán las interacciones entre ellas. Además, analizarán el equilibrio entre materia y antimatería. Al principio del universo se crearon las dos, pero no en las mismas cantidades; como al chocar entre ellas desaparecen, está claro que hubo más materia que antimatería; en las colisiones desapareció toda la antimatería, pero quedó algo de materia, y por eso existimos. Este proceso será investigado a través del acelerador LHC, creando protones, antiprotones y haciendo chocar entre sí.
También responderán a otras cuestiones, que quizá no se puedan considerar básicas, pero que han adquirido gran importancia en la física de los últimos años. Por un lado, investigarán las hipótesis de la materia y las energías oscuras del universo a través del LHC. Por otro lado, la teoría de la supersimetría, a cada una de las partículas que conocemos le corresponde una partícula simétrica (según la teoría de la supersimetría), ya que según esta teoría se originaron ambas en la explosión de Big Bang. El LHC podría encontrar estas "superpartículas".
Finalmente, el LHC acelerará los núcleos de los átomos pesados para provocar colisiones entre ellos. Con este experimento se pretende crear un plasma de quarkes y gluones, es decir, una mezcla libre de las partículas elementales que forman los protones. Esta mezcla les enseñará la fuerza que las une.
Instalaciones
La investigación de estas pequeñas partículas requiere de un instrumental muy complejo, por lo que todos los aceleradores son herramientas muy complejas. Y los grandes aceleradores no son un solo instrumento, sino un conjunto de herramientas. Este LHC no es un acelerador sino cinco aceleradores, uno detrás de otro. Sería imposible que toda la energía a generar se generase mediante un único instrumento, por lo que se hará de forma escalonada.
Los protones serán acelerados por un acelerador lineal que tomará una energía de 50 MeV. Desde allí se incorporan al acelerador PSB ( Proton Synchrotron Booster ) que llega a 1,4 GeV. De aquí al acelerador PS ( Proton Synchrotron ); 26 GeV. De aquí al acelerador SPS ( Super Proton Synchrotron ); 450 GeV. Y finalmente se incorporarán al acelerador principal del LHC hasta alcanzar una energía de 7 TeV. En este punto, los protones se desplazarán casi a la velocidad de la luz (unos 293.000 kilómetros por segundo).
Controlar algo que se mueve con esas velocidades y energías no es fácil. En los aceleradores circulares, para que las partículas realicen el recorrido preciso, se controlan mediante un campo magnético, es decir, se desplazan en círculo y no directamente hacia adelante, ya que un campo magnético se desvía constantemente. Y cuanto más rápido se mueva, más espacio se necesita para desviar la partícula.
En el caso del LHC, la velocidad y la energía de los protones son tan elevadas que la zona debe ser muy grande. Es obligatorio el uso de electroimanes de material superconductor (niobios recubiertos de cobre con cables de titanio). Los superconductores sólo funcionan a temperaturas muy bajas. Por ello, los imanes deben enfriarse con helio líquido a 1,9 kelvin. Pero la electricidad que pasa por los cables de los electroimanes lo calienta todo. Finalmente, el sistema de refrigeración del LHC consumirá más energía que los experimentos.
También destaca el sistema de inducción de vacío. Siempre que sea posible, todas las partículas o moléculas que interfieran deben salir del tubo de LHC. Es imposible extraerlo por completo, pero el sistema del LHC permite que sólo existan 3 millones de moléculas en cada centímetro cúbico.
Han realizado un gran esfuerzo tecnológico y han gastado mucho dinero en la preparación del LHC. Sin contar detectores, algo más de 3.000 millones de euros. Y después de siete años y medio de espera, los físicos comienzan a usarse ahora. Su trabajo demostrará si ha merecido la pena esperar.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
