Colisionador de partículas

Resumen

Los haces de partículas se aceleran inicialmente en una subcadena de anilllos menores hasta que alcanzan la energía de 0,45 tera electrón-voltios.

De ahí pasan al gran acelerador del LHC, donde alcanzan energías de hasta siete tera electrón-voltios. Un tera electrón-voltio es aproximadamente la energía cinética de un mosquito volando.

Aunque parezca una energía pequeña, lo extraordinario es que las partículas que concentran esa energía en el LHC tienen un volumen un billón de veces menor que el de un mosquito.

Palabras Clave-Energía, Partículas,

Introducción

El  Colisionador de Hadrones

Es un acelerador ycolisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), cerca deGinebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente deprotones, de hasta 7 Terra electron volitios (TeV) de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar, el cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas, del que se conoce su ruptura a niveles de energía altos.

Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99% de la velocidad de la luz, y se los hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del big bang

Desarrollo de contenidos

El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Usa el túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.

Una vez enfriado hasta su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K (menos de 2 grados por encima del cero absoluto o -271,15 °C), los primeros haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008,2 y el primer intento para hacerlos circular por toda la trayectoria del colisionador se produjo el 10 de septiembre del año 2008. Aunque las primeras colisiones a alta energía en principio estuvieron previstas para el 21 de octubre de 2008,4 el experimento fue postergado debido a una avería que produjo la fuga delhelio líquido que enfría uno de los imanes superconductores.

A fines de 2009 fue vuelto a poner en marcha, y el 30 de noviembre del 2010 se convirtió en el acelerador de partículas más potente al conseguir energías de 1,18 TeV en sus haces, superando el récord anterior de 0,98 TeV establecido por el Tevatrón estadounidense.5 El 30 de marzo de 2010 las primeras colisiones de protones del LHC alcanzaron una energía de 7 TeV (al chocar dos haces de 3,5 TeV cada uno) lo que significó un nuevo récord para este tipo de ensayos. El colisionador funcionará a medio rendimiento durante dos años, al cabo de los cuales se proyecta llevarlo a su potencia máxima de 14 TeV.

Teóricamente se espera que este instrumento permita confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs, a veces llamada "partícula de la masa". La observación de esta partícula confirmaría las predicciones y "enlaces perdidos" del Modelo Estándar de la física, pudiéndose explicar cómo las otras partículas elementales adquieren propiedades como la masa.

Verificar la existencia del bosón de Higgs sería un paso significativo en la búsqueda de una teoría de la gran unificación, que pretende relacionar tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, quedando fuera de ella únicamente la gravedad. Además este bosón podría explicar por qué la gravedad es tan débil comparada con las otras tres fuerzas. Junto al bosón de Higgs también podrían producirse otras nuevas partículas que fueron predichas teóricamente, y para las que se ha planificado su búsqueda,8 como los strangelets, los micro agujeros negros, el monopolo magnético o las partículas supersimétricas.

Red de computación

La red de computación (Computing Grid en inglés) del LHC es una red de distribución diseñada por el CERN para manejar la enorme cantidad de datos que serán producidos por el Gran Colisionador de Hadrones. Incorpora tanto enlaces propios de fibra óptica como partes de Internet de alta velocidad.

El flujo de datos provisto desde los detectores se estima aproximadamente en 300 Gb/s, que es filtrado buscando "eventos interesantes", resultando un flujo de 300 Mb/s. El centro de cómputo del CERN, considerado "Fila 0" de la red, ha dedicado una conexión de 10 Gb/s.

Se espera que el proyecto genere 27 Terabytes de datos por día, más 10 TB de "resumen". Estos datos son enviados fuera del CERN a once instituciones académicas de Europa, Asia y Norteamérica, que constituyen la "fila 1" de procesamiento. Otras 150 instituciones constituyen la "fila 2".

Se espera que el LHC produzca entre 10 a 15 Petabytes de datos por año.

Presupuesto

La construcción del LHC fue aprobada en 1995 con un presupuesto de 2600 millones de Francos suizos (alrededor de 1700 millones de euros), junto con otros 210 millones de francos (140 millones €) destinados a los experimentos. Sin embargo, este coste fue superado en la revisión de 2001 en 480 millones de francos (300 millones de €) en el acelerador, y 50 millones de francos (30m €) más en el apartado para experimentos.11 Otros 180 millones de francos (120m €) más se han tenido que destinar al incremento de costes de las bobinas magnéticas superconductoras. Y todavía persisten problemas técnicos en la construcción del último túnel bajo tierra donde se emplazará el Solenoide compacto de muones (CMS). El presupuesto de la institución aprobado para 2008, es de 660.515.000 euros para un total de 53.929.422 euros.

El recorte de fondos previsto para el año 2011 es de 15 millones de francos suizos dentro de los 1.100 millones de euros del presupuesto total, lo que representaría menos del 1,5 por ciento de inversión anual; al año siguiente un dos por ciento; así hasta ahorrar 262 millones de euros para 2015.

El delegado científico de España en el CERN, Carlos Pajares, ha asegurado que el Gran Colisionador de Hadrones o LHC no se verá afectado por el recorte de fondos previsto por la institución científica ante la crisis económica.

"Todos los países dijimos que no había que tocar el programa del LHC y es lo que se hizo. El director general ha enviado un mensaje a toda la comunidad científica diciendo que el CERN se ha apretado el cinturón igualmente pero el LHC no va a sufrir", ha señalado Carlos Pajares. Alarmas sobre posibles catástrofes

Desde que se proyectó el Gran Colisionador Relativista de Iones (RHIC), el estadounidense Walter Wagner y el español Luis Sancho14 denunciaron ante un tribunal de Hawái al CERN y al Gobierno de Estados Unidos, afirmando que existe la posibilidad de que su funcionamiento desencadene procesos que, según ellos, serían capaces de provocar la destrucción de la Tierra. Sin embargo su postura es rechazada por la comunidad científica, ya que carece de cualquier respaldo matemático que la apoye.

Los procesos catastróficos que denuncian son:

• La formación de un agujero negro estable.

• La formación de materia extraña supermasiva, tan estable como la materia ordinaria.

• La formación de monopolos magnéticos (previstos en la teoría de la relatividad) que pudieran catalizar el decaimiento del protón.

• La activación de la transición a un estado de vacío cuántico.

A este respecto, el CERN ha realizado estudios sobre la posibilidad de que se produzcan acontecimientos desastrosos como microagujeros negros16 inestables,redes, o disfunciones magnéticas.17 La conclusión de estos estudios es que "no se encuentran bases fundadas que conduzcan a estas amenazas".18 19

Resumiendo:

• En el hipotético caso de que se creara un agujero negro, sería tan infinitamente pequeño que podría atravesar la Tierra sin tocar ni un solo átomo, ya que el 95% de estos son espacios vacíos. Debido a esto, no podría crecer y alcanzaría el espacio, donde su probabilidad de chocar contra algo y crecer, es aún más pequeña.[cita requerida]

• El planeta Tierra está expuesto a fenómenos naturales similares o peores a los que serán producidos en el LHC.

• Los rayos cósmicos alcanzan continuamente la Tierra a velocidades (y por tanto energías) enormes, incluso varios órdenes de magnitud mayores a las producidas en el LHC.

• El Sol, debido a su tamaño, ha recibido 10.000 veces más.

• Considerando que todas las estrellas del universo visible reciben un número equivalente, se alcanzan unos 1031 experimentos como el LHC y aún no se ha observado ningún evento como el postulado por Wagner y Sancho.

• Durante la operación del colisionador de iones pesados relativistas (RHIC) en Brookhaven (EE.UU.) no se ha observado ni un solo strangelet. La producción de strangelets en el LHC es menos probable que el RHIC, y la experiencia en este acelerador ha validado el argumento de que no se pueden producir strangelets.

Experimentacion

Parte del túnel del LHC situada debajo del LHC P8, cerca del LHCb.

Los protones se acelerarán hasta tener una energía de 7 TeV cada uno (siendo el total de energía de la colisión de 14 TeV). Se están construyendo 5 experimentos para el LHC. Dos de ellos, ATLAS y CMS, son grandes detectores de partículas de propósito general. Los otros tres, LHCb, ALICE y TOTEM, son más pequeños y especializados. El LHC también puede emplearse para hacer colisionar iones pesados tales como plomo (la colisión tendrá una energía de 1150 TeV). Los físicos confían en que el LHC proporcione respuestas a las siguientes cuestiones:

• El significado de la masa (se sabe cómo medirla pero no se sabe qué es realmente).

• La masa de las partículas y su origen (en particular, si existe el bosón de Higgs).

• El origen de la masa de los bariones.

• Número de partículas totales del átomo.

• A saber el porqué tienen las partículas elementales diferentes masas (es decir, si interactúan las partículas con uncampo de Higgs).

• El 95% de la masa del universo no está hecha de la materia que se conoce y se espera saber qué es la materia oscura.

• La existencia o no de las partículas supersimétricas.

• Si hay dimensiones extras, tal como predicen varios modelos inspirados por la Teoría de cuerdas, y, en caso afirmativo, por qué no se han podido percibir.

• Si hay más violaciones de simetría entre la materia y la antimateria.

• Recrear las condiciones que provocaron el Big Bang.

El detector CMS del LHC.

Conclusiones

El LHC es un proyecto de tamaño inmenso y una enorme tarea de ingeniería. Mientras esté encendido, la energía total almacenada en los imanes es 10 gigajulios y en el haz 725 megajulios.

Referencias

• [1] http://lta.reuters.com/article/topNews/idLTASIE48M1TC20080923(08/12/2011)

• [2] http://www.bbc.co.uk/mundo/ciencia_tecnologia(08/12/2011)

• [3] http://www.oei.es(08/12/2011)

Autor:

Juan Pablo Pesantez