O LHC erar a física
2008/04/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
A substitución dunha máquina por outra máis moderna é lóxica, pero neste caso trátase dun cambio moi valente, o acelerador LEP, que foi desmontado por ser o máis poderoso do mundo.
E sabían que necesitarían anos paira substituílos. Ao final foron sete e medio, e iso é moito tempo paira a investigación. Na investigación da física de partículas víronse obrigados a paralizar ou suspender moitos proxectos. Isto atrasou os plans de moitos grupos. É de supor que o novo acelerador merecía este atraso.
Que esperan
Crese que o acelerador LHC compensará a interrupción: é moito mellor que o anterior, aínda que fisicamente ocupa o mesmo lugar. Dado que se utilizou o mesmo orificio paira a nova instalación, o tamaño da mesma é igual á OPE: Conduto circular duns 27 quilómetros. Atópase baixo o límite entre Suíza e Francia, no subsolo, a 50 metros no punto máis alto e a 175 metros no punto máis profundo. É o mesmo buraco que a antiga LP, e con todo, paira instalar un novo e potente detector, tiveron que ampliar o oco nalgunhas zonas próximas ao acelerador. Con todo, trátase dunha tubaxe de percorrido basicamente circular. Un par de tubos é, en realidade, dous paralelos que se cruzan en varios puntos. Os físicos acelerarán as partículas nos tubos e faranlles chocar nas interseccións.
Este é o obxectivo dun acelerador: xerar colisións de gran enerxía entre as partículas. Os físicos detectarán e analizarán os resultados das colisións paira investigar as partículas orixinais. E aí está a principal diferenza entre o acelerador antigo e o novo, o LHC ten una capacidade de xeración de enerxía moito maior que o LEP antigo.
Canto? Pódese pór en números. Os físicos fornecen o dato da enerxía xerada polos aceleradores en electrón-voltios (eV). Un electrón é a enerxía que achega o potencial dun volt a un electrón. A maior enerxía obtida polo acelerador LEP foi 209 GeV (209.000 millóns de eV), e os expertos estiman que o LHC alcanzará os 7 TeV (7 billóns eV). Isto significa que as partículas chocarán cunha enerxía de 14 TeV.
E con esa enerxía, que? Pois con esa enerxía farán experimentos que aínda non imaxinaron. No antigo LEP acelerábanse electróns e partículas similares (de aí o nome de Large Electron-Positron collider). Pero o obxectivo do LHC é acelerar os protones. Isto require moita máis enerxía, xa que os protones son 1.836 veces máis pesados que os electróns. En realidade, ademais dos protones, acelerarán outras partículas, pero de tamaño protónico ou maior. Este tipo de partículas denomínanse hadrones, polo que deron o seu nome ao LHC: Large Hadron Collider.
Bosón Higgs
A aceleración do hadrón até a enerxía de 7 TeV foi un soño até agora. Pero desde que o viron posible, os físicos comezan a inventar novos experimentos. Saben perfectamente que van facer co novo acelerador, polo menos a curto prazo.
O primeiro obxectivo é atopar una partícula chamada bosón Higgs. Na actualidade case ninguén escribe sobre o acelerador LHC sen mencionar o bosón Higgs. Do mesmo xeito, ninguén sabe si existe ou non o bosón Higgs porque nunca o detectaron. Algúns científicos din que si, que apareceu nunha serie de choques violentos, pero que dalgunha maneira os investigadores que fixeron o experimento non se deron conta porque estaban a buscar outras partículas. Con todo, este debate é estéril polo momento, entre outras cousas porque van necesitar un acelerador LHC paira poder demostrar si ou non. Por tanto, pódese dicir que polo momento non se detectou o bosón Higgs.
Pero debe existir en base a unha hipótese que explica por que existe mellor a masa. A detección do bosón Higgs supón un gran paso na investigación da física das partículas (algunhas non dirían “si detectásese o bosón Higgs”, senón que “cando atopen o bosón Higgs”, convencidos de que pronto o atoparán, aínda que é preferible ser prudentes).
De feito, moitos físicos pediron que o acelerador LEP non se pechase porque supostamente estaban a piques de detectar o bosón Higgs. Solicitouse á dirección do CERN que esperase un ano. A dirección deulles un mes paira detectar os indicios de que realmente se detectaría a partícula Higgs. Pasado ese mes, os físicos afirmaron que si, que probaran que estaban preto de detectar, pero a dirección do CERN díxolles que non. E pecharon o acelerador LEP.
Ademais do bosón Higgs
A procura dunha soa partícula non satisfai as ganas de experimentar coa física moderna, aínda que esta sexa o bosón Higgs. E é que, a pesar do bosón Higgs, os físicos teñen grandes expectativas.
Crese que van pór en marcha experimentos que respondan a moitas preguntas da física básica. Paira cada tipo de experimento, ademais, instalouse un detector especial (ou un grupo de detectores especiais) no LHC. En catro puntos de colisión instaláronse seis instalacións. Bautizáronse como experimentos e a maioría son instalacións xigantes.
Buscan respostas a preguntas básicas. A procura do bosón Higgs pode axudar a explicar que é a masa. Así mesmo, investigarase en que consiste a carga eléctrica no LHC, xa que buscará os compoñentes básicos das partículas cargadas e estudaranse as interaccións entre elas. Ademais, analizarán o equilibrio entre materia e antimatería. Ao principio do universo creáronse as dúas, pero non nas mesmas cantidades; como ao chocar entre elas desaparecen, está claro que houbo máis materia que antimatería; nas colisións desapareceu toda a antimatería, pero quedou algo de materia, e por iso existimos. Este proceso será investigado a través do acelerador LHC, creando protones, antiprotones e facendo chocar entre si.
Tamén responderán a outras cuestións, que quizá non se poidan considerar básicas, pero que adquiriron gran importancia na física dos últimos anos. Por unha banda, investigarán as hipóteses da materia e as enerxías escuras do universo a través do LHC. Doutra banda, a teoría da supersimetría, a cada una das partículas que coñecemos correspóndelle una partícula simétrica (segundo a teoría da supersimetría), xa que segundo esta teoría orixináronse ambas as na explosión de Big Bang. O LHC podería atopar estas superpartículas "".
Finalmente, o LHC acelerará os núcleos dos átomos pesados paira provocar colisións entre eles. Con este experimento preténdese crear un plasma de quarkes e gluones, é dicir, una mestura libre das partículas elementais que forman os protones. Esta mestura ensinaralles a forza que as une.
Instalacións
A investigación destas pequenas partículas require dun instrumental moi complexo, polo que todos os aceleradores son ferramentas moi complexas. E os grandes aceleradores non son un só instrumento, senón un conxunto de ferramentas. Este LHC non é un acelerador senón cinco aceleradores, uno detrás doutro. Sería imposible que toda a enerxía a xerar xerásese mediante un único instrumento, polo que se fará de forma graduada.
Os protones serán acelerados por un acelerador lineal que tomará una enerxía de 50 MeV. Desde alí incorpóranse ao acelerador PSB ( Proton Synchrotron Booster ) que chega a 1,4 GeV. De aquí ao acelerador PS ( Proton Synchrotron ); 26 GeV. De aquí ao acelerador SPS ( Super Proton Synchrotron ); 450 GeV. E finalmente incorporaranse ao acelerador principal do LHC até alcanzar una enerxía de 7 TeV. Neste punto, os protones desprazaranse case á velocidade da luz (uns 293.000 quilómetros por segundo).
Controlar algo que se move con esas velocidades e enerxías non é fácil. Nos aceleradores circulares, para que as partículas realicen o percorrido preciso, contrólanse mediante un campo magnético, é dicir, desprázanse en círculo e non directamente cara a adiante, xa que un campo magnético desvíase constantemente. E canto máis rápido móvase, máis espazo necesítase paira desviar a partícula.
No caso do LHC, a velocidade e a enerxía dos protones son tan elevadas que a zona debe ser moi grande. É obrigatorio o uso de electroimanes de material superconductor (niobios recubertos de cobre con cables de titanio). Os superconductores só funcionan a temperaturas moi baixas. Por iso, os imáns deben arrefriarse con helio líquido a 1,9 kelvin. Pero a electricidade que pasa polos cables dos electroimanes quéntao todo. Finalmente, o sistema de refrixeración do LHC consumirá máis enerxía que os experimentos.
Tamén destaca o sistema de indución sen carga. Sempre que sexa posible, todas as partículas ou moléculas que interfiran deben saír do tubo de LHC. É imposible extraelo por completo, pero o sistema do LHC permite que só existan 3 millóns de moléculas en cada centímetro cúbico.
Realizaron un gran esforzo tecnolóxico e gastaron moito diñeiro na preparación do LHC. Sen contar detectores, algo máis de 3.000 millóns de euros. E despois de sete anos e medio de espera, os físicos comezan a usarse agora. O seu traballo demostrará si mereceu a pena esperar.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
