El LHC erar la física
2008/04/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
La substitució d'una màquina per una altra més moderna és lògica, però en aquest cas es tracta d'un canvi molt valent, l'accelerador LEP, que va ser desmuntat per ser el més poderós del món.
I sabien que necessitarien anys per a substituir-los. Al final han estat set i mitjà, i això és molt de temps per a la recerca. En la recerca de la física de partícules es van veure obligats a paralitzar o suspendre molts projectes. Això va retardar els plans de molts grups. És de suposar que el nou accelerador mereixia aquest retard.
Què esperen
Es creu que l'accelerador LHC compensarà la interrupció: és molt millor que l'anterior, encara que físicament ocupa el mateix lloc. Atès que s'ha utilitzat el mateix orifici per a la nova instal·lació, la grandària de la mateixa és igual a l'OPE: Conducte circular d'uns 27 quilòmetres. Es troba sota el límit entre Suïssa i França, en el subsòl, a 50 metres en el punt més alt i a 175 metres en el punt més profund. És el mateix forat que l'antiga LP, i no obstant això, per a instal·lar un nou i potent detector, han hagut d'ampliar el buit en algunes zones pròximes a l'accelerador. No obstant això, es tracta d'una canonada de recorregut bàsicament circular. Un parell de tubs és, en realitat, dos paral·lels que es creuen en diversos punts. Els físics acceleraran les partícules en els tubs i els faran xocar en les interseccions.
Aquest és l'objectiu d'un accelerador: generar col·lisions de gran energia entre les partícules. Els físics detectaran i analitzaran els resultats de les col·lisions per a investigar les partícules originals. I aquí està la principal diferència entre l'accelerador antic i el nou, el LHC té una capacitat de generació d'energia molt major que el LEP antic.
Quant? Es pot posar en números. Els físics subministren la dada de l'energia generada pels acceleradors en electró-volts (eV). Un electró és l'energia que aporta el potencial d'un volt a un electró. La major energia obtinguda per l'accelerador LEP va ser 209 GeV (209.000 milions d'eV), i els experts estimen que el LHC aconseguirà els 7 TeV (7 bilions eV). Això significa que les partícules xocaran amb una energia de 14 TeV.
I amb aquesta energia, què? Perquè amb aquesta energia faran experiments que encara no han imaginat. En l'antic LEP s'acceleraven electrons i partícules similars (d'aquí el nom de Large Electron-Positron collider). Però l'objectiu del LHC és accelerar els protons. Això requereix molta més energia, ja que els protons són 1.836 vegades més pesats que els electrons. En realitat, a més dels protons, acceleraran altres partícules, però de grandària protònica o major. Aquest tipus de partícules es denominen hadrons, per la qual cosa han donat el seu nom al LHC: Large Hadron Collider.
Bosó Higgs
L'acceleració de l'hadró fins a l'energia de 7 TeV ha estat un somni fins ara. Però des que ho van veure possible, els físics comencen a inventar nous experiments. Saben perfectament què faran amb el nou accelerador, almenys a curt termini.
El primer objectiu és trobar una partícula anomenada bosó Higgs. En l'actualitat gairebé ningú escriu sobre l'accelerador LHC sense esmentar el bosó Higgs. De la mateixa manera, ningú sap si existeix o no el bosó Higgs perquè mai l'han detectat. Alguns científics diuen que sí, que ha aparegut en una sèrie de xocs violents, però que d'alguna manera els investigadors que han fet l'experiment no s'han adonat perquè estaven buscant altres partícules. No obstant això, aquest debat és estèril de moment, entre altres coses perquè necessitaran un accelerador LHC per a poder demostrar si o no. Per tant, es pot dir que de moment no s'ha detectat el bosó Higgs.
Però ha d'existir sobre la base d'una hipòtesi que explica per què existeix millor la massa. La detecció del bosó Higgs suposa un gran pas en la recerca de la física de les partícules (algunes no dirien “si es detectés el bosó Higgs”, sinó que “quan trobin el bosó Higgs”, convençuts que aviat ho trobaran, encara que és preferible ser prudents).
De fet, molts físics van demanar que l'accelerador LEP no es tanqués perquè suposadament estaven a punt de detectar el bosó Higgs. Es va sol·licitar a la direcció del CERN que esperés un any. La direcció els va donar un mes per a detectar les indicis que realment es detectaria la partícula Higgs. Passat aquest mes, els físics van afirmar que sí, que havien provat que estaven prop de detectar, però la direcció del CERN els va dir que no. I van tancar l'accelerador LEP.
A més del bosó Higgs
La cerca d'una sola partícula no satisfà les ganes d'experimentar amb la física moderna, encara que aquesta sigui el bosó Higgs. I és que, malgrat el bosó Higgs, els físics tenen grans expectatives.
Es creu que posaran en marxa experiments que responguin a moltes preguntes de la física bàsica. Per a cada tipus d'experiment, a més, s'ha instal·lat un detector especial (o un grup de detectors especials) en el LHC. En quatre punts de col·lisió s'han instal·lat sis instal·lacions. S'han batejat com a experiments i la majoria són instal·lacions gegants.
Busquen respostes a preguntes bàsiques. La cerca del bosó Higgs pot ajudar a explicar què és la massa. Així mateix, s'investigarà en què consisteix la càrrega elèctrica en el LHC, ja que buscarà els components bàsics de les partícules carregades i s'estudiaran les interaccions entre elles. A més, analitzaran l'equilibri entre matèria i antimatería. Al principi de l'univers es van crear les dues, però no en les mateixes quantitats; com en xocar entre elles desapareixen, és clar que va haver-hi més matèria que antimatería; en les col·lisions va desaparèixer tota l'antimatería, però va quedar una mica de matèria, i per això existim. Aquest procés serà investigat a través de l'accelerador LHC, creant protons, antiprotones i fent xocar entre si.
També respondran a altres qüestions, que potser no es poden considerar bàsiques, però que han adquirit gran importància en la física dels últims anys. D'una banda, investigaran les hipòtesis de la matèria i les energies fosques de l'univers a través del LHC. D'altra banda, la teoria de la supersimetría, a cadascuna de les partícules que coneixem li correspon una partícula simètrica (segons la teoria de la supersimetría), ja que segons aquesta teoria es van originar totes dues en l'explosió de Big bang. El LHC podria trobar aquestes "superpartículas".
Finalment, el LHC accelerarà els nuclis dels àtoms pesats per a provocar col·lisions entre ells. Amb aquest experiment es pretén crear un plasma de quarkes i gluones, és a dir, una mescla lliure de les partícules elementals que formen els protons. Aquesta mescla els ensenyarà la força que les uneix.
Instal·lacions
La recerca d'aquestes petites partícules requereix d'un instrumental molt complex, per la qual cosa tots els acceleradors són eines molt complexes. I els grans acceleradors no són un sol instrument, sinó un conjunt d'eines. Aquest LHC no és un accelerador sinó cinc acceleradors, un darrere d'un altre. Seria impossible que tota l'energia a generar es generés mitjançant un únic instrument, per la qual cosa es farà de manera escalonada.
Els protons seran accelerats per un accelerador lineal que prendrà una energia de 50 MeV. Des d'allí s'incorporen a l'accelerador PSB ( Proton Synchrotron Booster ) que arriba a 1,4 GeV. D'aquí a l'accelerador PS ( Proton Synchrotron ); 26 GeV. D'aquí a l'accelerador SPS ( Super Proton Synchrotron ); 450 GeV. I finalment s'incorporaran a l'accelerador principal del LHC fins a aconseguir una energia de 7 TeV. En aquest punt, els protons es desplaçaran gairebé a la velocitat de la llum (uns 293.000 quilòmetres per segon).
Controlar alguna cosa que es mou amb aquestes velocitats i energies no és fàcil. En els acceleradors circulars, perquè les partícules realitzin el recorregut precís, es controlen mitjançant un camp magnètic, és a dir, es desplacen en cercle i no directament cap endavant, ja que un camp magnètic es desvia constantment. I com més ràpid es mogui, més espai es necessita per a desviar la partícula.
En el cas del LHC, la velocitat i l'energia dels protons són tan elevades que la zona ha de ser molt gran. És obligatori l'ús d'electroimants de material superconductor (niobis recoberts de coure amb cables de titani). Els superconductors només funcionen a temperatures molt baixes. Per això, els imants han de refredar-se amb heli líquid a 1,9 kelvin. Però l'electricitat que passa pels cables dels electroimants ho escalfa tot. Finalment, el sistema de refrigeració del LHC consumirà més energia que els experiments.
També destaca el sistema d'inducció de buit. Sempre que sigui possible, totes les partícules o molècules que interfereixin han de sortir del tub de LHC. És impossible extreure-ho per complet, però el sistema del LHC permet que només existeixin 3 milions de molècules en cada centímetre cúbic.
Han realitzat un gran esforç tecnològic i han gastat molts diners en la preparació del LHC. Sense comptar detectors, una mica més de 3.000 milions d'euros. I després de set anys i mig d'espera, els físics comencen a usar-se ara. El seu treball demostrarà si ha valgut la pena esperar.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
