LHC: Arranca el mayor experimento científico de la historia


LHC: Arranca el mayor experimento científico de la historia


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La semana que viene empieza un experimento muy especial. Los científicos acelerarán protones hasta prácticamente la velocidad de la luz y harán que colisionen entre ellos generando la mayor concentración de energía nunca antes conseguida.
Con ello esperan descubrir nuevas partículas subatómicas, averiguar si existen otras dimensiones, de qué está hecha la materia oscura, cuál es el origen de la masa, qué ocurrió durante el Big Bang, porqué desapareció la antimateria, y si el modelo estándar utilizado por los físicos durante los últimos 40 años es correcto, o les tocará volver a empezar de cero.
Fabuloso texto escrito para  lacomunidad.elpais.com/apuntes-cientificos… por Gonzalo Merino, uno de los 6000 científicos que participan en este experimento,

Mensaje a los neófitos:
Muchos de los que empecéis a leer estas líneas no habréis oído nunca hablar de bosones de Higgs, de fermiones, o de partículas W. De verdad espero que esto no os cohíba. No pretendáis asimilar todos los detalles del texto a la primera, pero sí os animo a dedicarle un pequeño esfuerzo e intentar adquirir como mínimo una perspectiva general del LHC ¿Por qué me atrevo a sugeríroslo? Por dos razones.
Primera: El LHC no es un experimento cualquiera. Quedará inscrito en los libros de historia de la ciencia, y nosotros tenemos la oportunidad de seguirle la pista en directo. Durante los próximos 10 años oiremos hablar mucho del LHC y de los grandes enigmas de la física que quizás resolverá. Vale la pena empezar a familiarizarnos con él.
Segundo: El artículo que Gonzalo Merino nos ofrece es buenísimo. Está escrito con un lenguaje sencillo, sin más tecnicismos de los necesarios, y presenta los verdaderos aspectos clave a tener en cuenta para poder inmiscuirse en esta aventura.
No os robo más tiempo, os dejo con el texto y la posibilidad de utilizar los comentarios para transmitir vuestras dudas y entablar conversación directa con Gonzalo, investigador del
CIEMAT y coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España en el PIC de Barcelona.

El Large Hadron Collider, por Gonzalo Merino

En el Laboratorio Europeo de Partículas (CERN ), cerca de Ginebra, está a punto de ponerse en marcha el acelerador de partículas más potente del mundo: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC , por sus siglas en inglés). Según el reciente anuncio hecho por el laboratorio, el 10 de Septiembre será la fecha en la que se harán circular los primeros haces de partículas. La cuenta atrás ha comenzado.

La construcción del LHC ha sido una tarea titánica en la que han trabajado miles de físicos e ingenieros de más de 80 países durante 20 años y en la que se han invertido del orden de 7.000 millones de Euros.

La idea de este experimento parece en principio sencilla. Se trata de acelerar protones hasta que alcancen una energía muy alta, para entonces hacerlos chocar entre si y observar qué sucede. Visto así, no parece demasiado complicado.

Los protones se acelerarán hasta que alcancen un 99,999999% de la velocidad de la luz. Esto, en la jerga de los físicos de partículas, equivale a una energía de 7 TeV (7 mil millones de electronvoltios ). La energía total en cada colisión entre dos protones por tanto será de 14 TeV. Esta es la energía más alta jamás alcanzada por un colisionador de partículas construido por el hombre. Siete veces mayor que la del colisionador más potente actualmente operativo: el Tevatron en Fermilab , cerca de Chicago.

 

Para dar una idea intuitiva de esta escala de energía, a veces se explica que 1 TeV es aproximadamente la energía cinética que tiene un mosquito volando. Pero no creo que esta comparación ayude demasiado a hacerse una idea de lo que pasa en el interior del LHC. Para entender lo extraordinario de esta máquina hay que notar que en el LHC toda esta energía estará concentrada en un espacio extremadamente pequeño, ya que el tamaño de un protón es un trillón (un 1 seguido de 18 ceros) de veces menor que un mosquito. En definitiva, que la comparación es en si misma un reto a nuestra capacidad de abstracción: hay que tratar de estrujar un mosquito 18 órdenes de magnitud, sin que deje de volar, claro.

Para tratar de imaginar lo que sucede en el LHC creo que es mejor pensar en el origen del Universo. Al fin y al cabo, los físicos que trabajamos allí decimos muchas veces que eso es justamente para lo que sirve el LHC: para explorar los primeros instantes del Universo.

La teoría actual del origen del Universo nos dice que todo empezó con lo que se suele llamar la Gran Explosión (el Big Bang en inglés). Este apelativo metafórico nos incita a pensar en un instante inicial muy “ruidoso”, una especie de fuegos artificiales, pero el Big Bang empezó en silencio, y sería más adecuado imaginarlo como una “explosión” en la que se crean el espacio y el tiempo. Si tratamos de entender ese instante con la teoría de la Relatividad General nos encontramos con una singularidad, un universo primigenio en el que la temperatura y densidad eran infinitas. Estas condiciones extremas son imposibles de imaginar, por lo que seguramente indican que nuestras teorías no son válidas para extrapolar hasta el mismo momento inicial.

A partir de ese momento el Universo se empezó a expandir rápidamente y a medida que crecía su tamaño se iba “enfriando”, o lo que es lo mismo, la energía de las partículas que contenía disminuía. Cuando sólo había transcurrido una milmillonésima de segundo después del Big Bang, el universo tenía una temperatura aproximadamente 100.000 veces superior a la del Sol y las partículas fundamentales que lo habitaban chocaban constantemente entre ellas con energías aproximadamente de 14 TeV. Estas condiciones son precisamente las que se quieren reproducir en el LHC. Al hacer colisionar partículas a 14 TeV, lo que queremos es entender qué sucedía en el Universo sólo una milmillonésima de segundo después del Big Bang…sigue

La luz más lejana que podemos detectar es la conocida como Radiación de Fondo de Microondas. Por este motivo cuando el satélite COBE primero y más recientemente WMAP analizaron con detalle esta radiación, los titulares de los periódicos dijeron que se había tomado una fotografía de “la infancia del Universo”. Esta Radiación de Fondo nos llega directamente desde un momento especial en la historia del Universo, cuando éste sólo tenía unos 380.000 años de edad. En aquel momento la temperatura era de aproximadamente 3.000 grados Kelvin, lo suficientemente baja como para que protones y electrones se combinasen para formar átomos neutros de hidrógeno. Como consecuencia de esto los fotones, hasta ese momento atrapados en la interacción con las partículas cargadas, pudieron recorrer el espacio libremente, sin obstáculos. Se dice que en este instante el Universo se volvió transparente. Antes de que esto sucediera, era opaco a la radiación electromagnética. Es por eso que la imagen directa más antigua que podemos obtener del Universo es la que nos muestra la Radiación de Fondo de Microondas.

Así pues podemos pensar en el LHC como una máquina del tiempo, que nos permitirá explorar el Universo tal y como era hace miles de millones de años, fracciones de segundo después del Big Bang, mucho antes de que se volviera transparente a la luz y nos permitiese fotografiarlo directamente con instrumentos como WMAP.

Construir una máquina que reproduce las condiciones del Universo cuando éste sólo tenía una milmillonésima de segundo de vida es una actividad interesante en si misma. Pero los gobiernos de decenas de países no se han gastado miles de millones de Euros sólo para ver cuánto eran capaces de acercarse al Big Bang. El interés del LHC es que, al reproducir esas condiciones extremas del Universo primordial, nos puede ayudar a responder algunas de las preguntas sobre cuáles son las leyes fundamentales de la naturaleza para las que aún no tenemos respuesta.

Actualmente sabemos que toda la materia que conocemos está formada por 12 piezas básicas que llamamos “partículas elementales” y que hay cuatro fuerzas distintas que describen las interacciones entre éstas: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitatoria. Podemos interpretar estas interacciones entre partículas de materia como el intercambio de otro tipo de partículas: las partículas portadoras de la fuerza. Así, cada una de las fuerzas fundamentales tiene su partícula portadora correspondiente. El portador de la fuerza nuclear fuerte es el “gluón”, el de la fuerza electromagnética es el “fotón” y las partículas W y Z son las responsables de la fuerza nuclear débil. Finalmente, aunque todavía no ha sido observado, el “gravitón” debería ser la partícula portadora de la fuerza gravitatoria.

Las partículas de materia y las de fuerza pertenecen a dos grupos bien diferenciados: las 12 que forman la materia son “fermiones” y las cuatro que son transmisoras de la fuerza son “bosones”. La diferencia entre ambos se encuentra en una propiedad cuántica de las partículas llamada espín, que se asocia al momento intrínseco de rotación de las mismas. Los fermiones (la materia) tienen espín fraccional mientras que los bosones (los portadores de las fuerzas) tienen espín entero.

Además de conocer cuáles son las partículas fundamentales, disponemos también de una teoría físico-matemática que describe de forma extremadamente precisa como interaccionan estas partículas mediante tres de las cuatro fuerzas: el Modelo Estándar . La fuerza gravitatoria, curiosamente la que estamos más acostumbrados a sentir en nuestro día a día, se resiste aún a ser descrita de forma unificada junto a las otras tres en una teoría global.

El Modelo Estándar nos proporciona la ecuación que, si dispusiéramos de suficiente capacidad de cálculo, nos debería permitir calcular todo lo que sucede en el Universo. Para que las matemáticas de esta teoría funcionen, sin embargo, es necesario que exista una nueva partícula que todavía no ha sido descubierta: el bosón de Higgs. Este nuevo elemento es el responsable de que todas las partículas tengan masa. Dicho de otro modo, con el bosón de Higgs la masa de cada partícula deja de ser un parámetro fundamental (puesto “a mano”) de la teoría y pasa a ser simplemente una medida de la intensidad de su interacción con los bosones de Higgs que la rodean y que llenan todo el espacio.

Si este bosón de Higgs existe, tal y como predice el Modelo Estándar, sabemos que ha de aparecer en el LHC. La teoría no nos dice exactamente dónde lo encontraremos, pero lo que sí nos dice de forma indirecta es que tiene que estar dentro del rango de energías que el LHC va a explorar. Por lo tanto, si el Higgs no aparece nos veremos obligados a aceptar que el Modelo Estándar, la teoría que tan bien ha funcionado en los últimos 40 años, es incorrecta y ha de mejorarse. Aun así esto no sería un fracaso, puesto que si sucede dispondremos de la máquina adecuada para guiarnos en la tarea de encontrar una nueva teoría: el LHC.

Más allá de descubrir el bosón de Higgs y completar así la pieza que parece faltar en nuestras ecuaciones, también esperamos que el LHC nos ayude a responder otras preguntas fundamentales para las que tampoco tenemos respuesta…sigue

De hecho sabemos que no hay una sino dos sustancias misteriosas. La primera de ellas formaría aproximadamente el 25% del Universo y es la que llamamos “Materia Oscura”. Esta es materia que no interacciona con la fuerza electromagnética pero que tiene masa y por tanto nos permite detectar su efecto gravitatorio de atracción respecto a la materia visible. La segunda de estas substancias invisibles es la más misteriosa de las dos. Seguramente es por eso que han decidido bautizarla como “Energía Oscura”, al más puro estilo Star Wars. Sabemos que esta Energía Oscura supone el 70% de toda la energía del Universo.

Una hipótesis que se plantean algunos científicos es que la “Materia Oscura” esté formada por un nuevo tipo de partículas llamadas “supersimétricas”. Según la teoría de la Supersimetría, cada una de las partículas que hoy conocemos tendría una “compañera” supersimétrica idéntica pero con espín distinto: los súper-compañeros de los fermiones serian bosones, y viceversa. Uno de los atractivos de esta teoría es que, de forma natural, predice que las fuerzas electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte tenían la misma intensidad en algún momento en el pasado del Universo. De este modo, abre la puerta a la idea de que dichas fuerzas sean tan sólo diferentes manifestaciones de la que fue originalmente una única fuerza. Por otro lado, esta teoría predice la existencia de toda una colección de nuevas partículas (para cada partícula conocida, una nueva súper-compañera) que aún no han sido detectadas. El LHC podría ser la máquina que encuentre algunas de estas nuevas partículas supersimétricas y alguna de ellas, como el neutralino , podría reunir las condiciones necesarias para ser un candidato a formar la enorme cantidad de Materia Oscura que sabemos que contiene el Universo.

En cuanto a la Energía Oscura, prácticamente lo único que sabemos es que está distribuida de forma homogénea y genera una fuerza repulsiva que tiende a acelerar la expansión del Universo. Esta energía se suele asociar al vacío, sugiriéndonos que “el vacío” es muy distinto de “la nada”. Si tratásemos de hacer el vacío completo en un espacio, eliminando de él toda la materia y toda la radiación, ahora sabemos que al final nuestro vacío siempre contendría una cierta densidad de Energía Oscura intrínseca: vacío repeliendo al vacío.
No está claro hasta qué punto el LHC podrá dilucidar el misterio de la Energía Oscura. Tal vez exista alguna relación entre esta extraña forma de energía del vacío y el bosón de Higgs, o la supersimetría, y si es así seguramente el LHC nos ayudará a entenderla…sigue

En estos puntos se han construido cuatro gigantescos detectores de partículas que servirán para registrar con gran precisión los productos de estas colisiones: ATLAS , CMS , LHCb y ALICE …sigue

 

Fuente lacomunidad.elpais.com/apuntes-cientificos…

 Puesta en marcha el próximo miércoles del gran acelerador europeo de partículas, el LHC

Está previsto que el acelerador empiece a funcionar con una energía de 0,9 teralectronvoltios (TeV) por haz. “La energía irá subiendo poco a poco hasta alcanzar los cinco TeV por haz; queremos que sea cuanto antes pero sin asumir demasiados riesgos”, afirma Enrique Fernández, director del Comité de Política Científica del CERN.

Habrá que tomar muchos datos antes de encontrar el Higgs. En cada uno de los dos haces que circularán en sentido contrario por el LHC, las partículas van en paquetes -unos 3.000 por haz-, con 100.000 millones de partículas por paquete. Los haces se cruzarán 30 millones de veces por segundo, generando unos 600 millones de colisiones por segundo.

La mejora que supone el LHC respecto al acelerador más potente actual, el Tevatron (Fermilab, Chicago), es espectacular: el europeo generará colisiones de partículas de potencia siete veces superior a cualquier acelerador anterior, cuando alcance su máxima potencia prevista, hacia 2010, será 30 veces superior.

“En EE UU la física de partículas está en fase de transición”, dice Elisabeth Clemens en la revista especializada Symetry. “En un año o dos, el Tevatron, el acelerador de mayor energía del mundo, se cerrará y la frontera se desplazará a Suiza, donde el LHC está a punto de arrancar. Más de 1.200 científicos estadounidenses colaboran en sus experimentos”.

La búsqueda de ese bosón de Higgs se ha convertido en bandera del LHC. “Las partículas elementales conocidas son vibraciones en el vacío, la partícula de Higgs sería una vibración del vacío”, explica De Rújula. “El vacío del universo, creemos, no es la nada, es una sustancia y puede vibrar, y la interacción del vacío -que no lo está- con el resto de las partículas (una especie de fricción) sería lo que genera sus diferentes masas”.

Higgs boson – CERN LHC – Fermilab Tevatron

Large Hadron Collider – The Search For The Higgs
Messing with the unknown

Además, los físicos -varios miles de ellos participan directamente en el LHC- desean también que surjan de esas colisiones de partículas cosas nuevas e inesperadas, tal vez la auténtica sal de la ciencia.

Si todo va bien el día 10, el LHC entrará en una fase completamente nueva…sigue

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