El LHC por dentro Understand article

Traducido por Francisco Barradas-Solas. En el segundo artículo de una serie de dos, Rolf Landua, del CERN, nos lleva a las profundidades para visitar la mayor empresa científica de la tierra, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y sus experimentos.

El acelerador

El Gran Colisionador de Hadrones (The Large Hadron Collider^w1 (LHC)) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) es un gigantesco instrumento científico que atraviesa la franco – suiza cerca de Ginebra, Suiza. Casi 10 000 físicos de más de 80 países lo usan para buscar partículas que aclaren la cadena de acontecimientos que dieron forma a nuestro universo una fracción de segundo después del big bang. Podría resolver enigmas que van desde las propiedades de las partículas más pequeñas hasta las mayores estructuras del Universo.

El diseño y la construcción del LHC llevaron unos 20 años, suponiendo un coste de 3600 millones de euros. El LHC está alojado en un túnel de 27 km de circunferencia y 3,8 m de ancho situado a unos 100 m bajo tierra. A ese nivel hay un estrato geológicamente estable y la profundidad evita que se pueda escapar radiación. Hasta el año 2000, el túnel alojaba el anillo de almacenamiento del LEP, construido en 1989. En este antiguo acelerador se hacían colisionar electrones con sus antipartículas, los positrones (para una explicación de la antimateria ver Landua & Rau, 2008) con el objetivo de estudiar con gran precisión las propiedades de las partículas resultantes y sus interacciones con.

Hay ocho ascensores que bajan hasta el túnel, y aunque sólo hay una parada, el viaje dura todo un minuto. Para moverse por el túnel entre los ocho puntos de acceso, el personal de mantenimiento y seguridad utiliza bicicletas, a veces para trayectos de varios kilómetros.

El LHC se opera automáticamente desde un centro de control central, de modo que una vez que los experimentos hayan comenzado, los técnicos e ingenieros sólo tendrán que acceder al túnel para tareas de mantenimiento.

El experimento en sí es un proceso bastante sencillo: el LHC hará colisionar dos hadrones –ya sean protones, ya núcleos de plomo– casi a la velocidad de la luz. Los muy altos niveles de energía implicados permitirán que la energía cinética de las partículas que chocan se transforme en materia, según la ecuación de Einstein, E=mc², y todas las partículas materiales que se creen en la colisión serán detectadas y sus propiedades medidas. Este experimento se repetirá hasta 600 millones de veces por segundo durante muchos años. En el LHC habrá sobre todo colisiones protón – protón, que serán estudiadas por tres de sus cuatro detectores (ATLAS, CMS y LHCb). Sin embargo, durante varias semanas cada año, se acelerarán y harán colisionar iones pesados (núcleos de plomo), que serán estudiados sobre todo por el detector especializado ALICE.

Como cualquier otro acelerador de partículas, el LHC tiene tres componentes principales: los tubos por los que circulan los haces, las estructuras de aceleración y el sistema de imanes (ver el diagrama). Dentro de sus dos tuberías de 6,3 cm de diámetro viajan dos haces de protones (o iones pesados) en sentidos opuestos (un haz por cada tubería) en un vacío ultra alto de 10^-13 bar, comparable a la densidad de materia en el espacio exterior. Esta baja presión es necesaria para reducir al mínimo el número de colisiones con moléculas de gas y la subsiguiente pérdida de partículas aceleradas.

Los protones se sacan de una bombona de hidrógeno gaseoso. Los átomos de hidrógeno están compuestos por un protón y un electrón. Los científicos eliminan el electrón mediante descargas eléctricas y después llevan a los protones hacia el acelerador mediante campos eléctricos y magnéticos. Para el haz del LHC son necesarios 300 millones de millones (300·10¹²) de protones, pero dado que en un simple centímetro cúbico de gas hidrógeno a temperatura ambiente hay unos 60·10¹⁸ protones, el LHC puede rellenarse 200 000 veces con un solo centímetro cúbico de gas, ¡y nada más hay que rellenarlo dos veces al día!

La segunda parte de un acelerador está formada por sus estructuras de aceleración. Antes de introducir los protones (o iones pesados) en las dos tuberías del LHC, las partículas son aceleradas en aceleradores más pequeños conectados al LHC hasta más o menos el 6% de la energía que alcanzarán al final. Dentro del LHC las partículas adquieren su energía final gracias a ocho estructuras llamadas cavidades aceleradoras.

Cada vez que las partículas pasan por estas cavidades son aceleradas por un potente campo eléctrico de unos 5 MV/m. El funcionamiento de estas estructuras se puede comparar con las olas marinas y el surf sobre ellas (ver diagram). Un grupo o paquete de partículas –llamado bunch– formado por unos cien mil millones (1011), que serían los surfistas, navegan sobre una enorme onda electromagnética y así adquieren energía cinética.

Cada onda acelera a uno de estos paquetes de protones y cada uno de los dos haces consiste en 2800 de estos paquetes discretos separados por una distancia de siete metros. A los 20 minutos alcanzan su energía final tras haber dado 11 245 vueltas por segundo al anillo del LHC. En esos 20 minutos, los protones cubren una distancia mayor que un viaje de ida y vuelta de la Tierra al Sol.

Entran en el LHC al 99.9997828 % de la velocidad de la luz y tras la aceleración alcanzan el 99.9999991 %, lo que se aproxima a la máxima velocidad posible, ya que, según la relatividad especial, nada puede moverse más rápido que la luz en el vacío. Aunque pueda parecer un aumento insignificante, cerca de la velocidad de la luz incluso una pequeña aceleración supone un importante aumento de masa, que es lo que cuenta. Un protón estacionario tiene una masa de 0.938 GeV (938 millones de electronvoltios). Los aceleradores hacen que alcance una masa final (o energía, que en este caso es prácticamente lo mismo) de 7·10¹² electronvoltios (7 TeV, teraelectronvoltios). Si se pudiera –hipotéticamente– acelerar a una persona de 100 kg en el LHC, su masa acabaría siendo de 700 toneladas.

Sin fuerzas externas, los protones se desplazarían en línea recta. Para que su trayectoria sea circular las tuberías están rodeadas de una gran sistema de imanes que desvía la trayectoria de los protones; estos imanes son la tercera parte de cualquier acelerador. Cuanto mayor se hace la masa de una partícula, más potentes tienen que ser los imanes para mantener su trayectoria. Aquí es donde se encuentran los límites de un acelerador, puesto que cuando el campo magnético llega a una cierta energía, el material de las bobinas de los imanes ya no es capaz de soportar las fuerzas generadas por el campo. Los imanes que se usan en el LHC han sido diseñados especialmente: la parte principal del sistema consiste en 1232 imanes dipolares, de unos 16 m de largo y 35 toneladas de peso cada uno, con una campo magnético máximo de 8,33 teslas; 150 000 veces mayor que el campo magnético de la Tierra.

Los imanes tienen un diseño especial dos en uno; contienen dos bobinas en su interior, una alrededor de cada una de las dos tuberías por las que circula el haz (beam pipes). La corriente circula por las bobinas dando lugar a dos campos magnéticos, dirigidos hacia abajo en una de las tuberías y hacia arriba en la otra. Así es como las partículas (protones o núcleos de plomo) pueden seguir la misma trayectoria en sentidos opuestos, unos por cada tubería.

Además de los imanes dipolares los hay cuadrupolares (con cuatro polos magnéticos) para enfocar los haces y miles de imanes sextupolares y octupolares adicionales (con seis y ocho polos, respectivamente) para corregir el tamaño y la posición del haz.

Todas las bobinas de los imanes y las cavidades aceleradoras se construyen con materiales especiales (niobio y titanio) que se vuelven superconductores a temperaturas muy bajas y conducen sin resistencia la electricidad que da lugar a los campos eléctricos y magnéticos. Para alcanzar su máximo rendimiento, los imanes deben enfriarse a –271.3 °C (1.9 K), que es una temperatura inferior a la del espacio exterior. Para enfriar los imanes, gran parte del acelerador está conectado a un sistema de distribución de nitrógeno y helio líquidos (ver recuadro). Sólo la octava parte del sistema de distribución criogénica del LHC ya es el mayor refrigerador del mundo.

A lo largo del anillo hay cuatro puntos en los que se rompe la cadena de imanes. Estos puntos contienen las cuatro enormes cavernas de los experimentos del LHC y sus detectores. Aquí se hace que las trayectorias de los dos haces, el interno y el externo, se crucen e intercambien sus posiciones en tuberías especiales con forma de X. En todas las cuatro tuberías con forma de X los haces se cruzan bajo un ángulo de 1,5 grados, lo que permite hacer que colisionen.

Los puntos de colisión están rodeados por enormes detectores que se describirán más tarde. Para aumentar la probabilidad de las colisiones entre partículas, los paquetes o bunches, son comprimidos por imanes especiales justo antes de cada punto de colisión hasta alcanzar un diámetro de 16 µm (más fino que un cabello humano) y una longitud de de 80 mm. ¡Los haces son tan minúsculos que la tarea de hacerlos chocar es comparable a la disparar agujas desde puntos separados por 10 km con tal precisión que se encuentren a mitad de camino! Sin embargo, la tecnología del LHC es capaz de hacer esta complicada tarea. Pero aún en estos haces focalizados de partículas la densidad sigue siendo muy baja –100 millones de veces menor que la del agua¬– de modo que la mayoría de las partículas se cruzan, no ya sin chocar, sino sin siquiera frenarse. Así, aunque haya cien mil millones (10¹¹) de protones en cada paquete, cuando chocan dos paquetes, sólo se producen unas veinte colisiones de partículas. Ya que la colisión de dos paquetes sucede 31 millones de veces por segundo (2800 paquetes x 11 245 vueltas al anillo del LHC por segundo) esto aún dará unos 600 millones de colisiones de protones por segundo cuando el LHC funcione a máxima intensidad.

Un solo paquete de protones a máxima velocidad tiene la misma energía cinética que un elefante de una tonelada corriendo a 50 km/h, y la energía total del haz es de 315 MJ (megajulios), lo suficiente para fundir casi 500 kg de cobre. Consiguientemente, se han hecho esfuerzos considerables en la seguridad del LHC. En el caso de que el haz se volviera inestable, los sensores lo detectarían inmediatamente y en las siguientes tres vueltas al anillo (es decir, en menos de una milésima de segundo) el haz sería desviado a una especie de salida de emergencia donde sería absorbido por placas de grafito y cemento antes de que pueda causar más daños (ver diagrama).

Los experimentos

El LHC hará colisionar dos protones con una energía cinética total de 7 + 7 = 14 TeV (o dos iones de plomo a una energía total de 1140 TeV) y después detectará y medirá las propiedades de las nuevas partículas que se produzcan cuando la energía cinética se transforme en materia

Según la física cuántica, estas colisiones darán lugar a todas las partículas del modelo estándar con determinadas probabilidades (como se describe en Landua & Rau, 2008) Sin embargo, la probabilidad de generar las partículas más pesadas que son las que los científicos buscan es muy baja. Pocas de las colisiones serán suficientemente energéticas como para producir nuevas partículas pesadas. La teoría predice que el bosón de Higgs (para saber más sobre él ver Landua & Rau, 2008) u otros fenómenos completamente nuevos que se buscan se producirán sólo muy raramente (típicamente una vez por cada 1012 colisiones), así que será necesario estudiar muchas colisiones hasta encontrar la “aguja en un millón de pajares”. Por eso el LHC se hará funcionar 24 horas diarias durante muchos años.

Los sucesos (un suceso es una colisión junto con todas las partículas resultantes) se estudian usando detectores gigantes capaces de reconstruir lo sucedido durante los choques – y de aguantar el enorme ritmo de las colisiones. Los detectores se pueden comparar con grandísimas cámaras digitales tridimensionales que pueden tomar hasta 40 millones de instantáneas por segundo (con la información digitalizada de decenas de millones de sensores). Los detectores se construyen por capas y cada capa tiene una función distinta (ver el diagrama de más abajo). Las capas interiores son las menos densas, mientras que las exteriores son más densas y compactas.

Se espera que las partículas pesadas que los científicos confían producir en las colisiones del LHC sean de vida muy corta y se desintegren rápidamente en otras conocidas y más ligeras. Tras una colisión de alta energía cientos de estas partículas de menor masa, por ejemplo electrones, muones y fotones, pero también protones, neutrones y otras, atraviesan el detector a velocidades próximas a la de la luz. Los detectores usan estas partículas más ligeras para deducir la breve existencia de otras nuevas y más masivas.

Las trayectorias de las partículas cargadas son desviadas por los campos magnéticos y sus radios de curvatura se emplean para calcular sus momentos lineales; cuanto mayor es la energía cinética, menor la curvatura. Por tanto, para partículas de alta energía cinética será necesaria una trayectoria suficientemente larga si se quiere determinar con precisión el radio de curvatura. Otras partes importantes de un detector son los calorímetros con los que se miden las energías de las partículas (tanto cargadas como neutras). Los calorímetros también tienen que ser suficientemente grandes como para absorber tanta energía de las partículas como sea posible. Esos son los dos principales motivos por los que los detectores del LHC son tan grandes.

Los detectores se construyen para rodear completamente la región de interacción de modo que se pueda dar cuenta del balance total de energía y momento de cada suceso y reconstruirlo en detalle. Combinando la información de las distintas capas del detector es posible determinar el tipo de partícula que ha dejado cada traza.

Las partículas cargadas –los electrones, protones y muones– dejan trazas mediante el mecanismo de ionización. Los electrones son muy ligeros y por tanto pierden rápidamente su energía, mientras que los protones penetran más a través de las capas del detector. Los fotones por sí mismos no dejan trazas, pero en los calorímetros cada fotón se convierte en un electrón y un positrón, cuyas energías sí pueden medirse. La energía de los neutrones se mide indirectamente; los neutrones transfieren su energía a protones y son estos los que se detectan. Los muones son las únicas partículas que alcanzan (y son detectadas por) las capas más externas del detector (ver el diagrama más arriba).

Cada parte del detector está conectada a un sistema de lectura electrónica de señales mediante miles de cables. En cuanto se detecta un impulso, el sistema registra el momento y el lugar exactos y envía la información a un ordenador. Varios cientos de ordenadores trabajan conjuntamente para combinar la información. En lo más alto de la jerarquía de ordenadores hay un sistema muy rápido que decide en un tiempo cortísimo si un suceso es o no interesante. Hay muchos criterios distintos para seleccionar sucesos que sean potencialmente interesantes y así es como la enorme cantidad de datos de 600 millones de sucesos se reduce a unos cuantos cientos de sucesos por segundo, que son los que se investigan en detalle.

Los detectores del LHC fueron diseñados, construidos y puesto en marcha por “colaboraciones” internacionales en la que se juntan científicos de instituciones de todo el mundo. En el LHC hay en total cuatro experimentos grandes (ATLAS, CMS; LHCb y ALICE) y dos pequeños (TOTEM y LHCf). Teniendo en cuenta que llevó veinte años planificar y construir los detectores y que está previsto que funcionen durante más de diez años, la duración de los experimentos es casi equivalente a la de toda la carrera profesional de un físico.

La construcción de estos detectores es el resultado de lo que podría llamarse “inteligencia de grupo” ya que mientras los científicos que trabajan en un detector entienden la función del aparato en general, no hay ninguno que esté familiarizado con los detalles y funciones precisa de cada una de las partes. En una colaboración así cada científico contribuye con sus conocimientos especializados al éxito global.

ATLAS y CMS

Los dos mayores experimentos ATLAS^w2 (A Toroidal LHC ApparatuS, cuyas siglas significan un instrumento toroidal para el LHC) y CMS^w3 (Compact Muon Solenoid o solenoide compacto para muones) están situados en puntos opuestos del anillo del LHC, separados por 9 km (ver el diagrama de los experimentos). Tener dos detectores diseñados independientemente es vital para la confirmación de de cualquier descubrimiento. Cada una de las “colaboraciones” ATLAS y CMS tiene más de 2000 físicos de 35 países.

El detector ATLAS tiene forma de cilindro de 25 m de diámetro y 45 m de longitud, como la mitad de la catedral de Notre-Dame de París, Francia, y con un peso similar al de la torre Eiffel (7000 toneladas). Su campo magnético lo producen un solenoide en la parte interna y un enorme imán toroidal con forma de donut más al exterior (ver el diagrama de la derecha)

El detector CMS también tiene forma cilíndrica (15 m de diámetro y 21 de longitud) y está construido alrededor de un imán solenoidal superconductor que genera un campo de 4 teslas,que se mantiene confinado gracias a un núcleo de acero que supone la mayor parte de las 12 500 toneladas del detector. Mientras ATLAS fue construido in situ, CMS se construyó en superficie, fue bajado después en quince secciones y montado finalmente en su caverna.

LHCb

El experimento LHCb^w4 nos ayudará a entender por qué vivimos en un universo que parece compuesto casi enteramente de materia y no de antimateria. Se especializa en investigar las ligeras diferencias entre la materia y la antimateria a través del estudio de un tipo de partícula llamado quark bottom (o quark b, ver Landua & Rau, 2008, para una explicación de los tipos de quark y la antimateria). Para identificar y medir los quarks b y sus contrapartidas de antimateria, los quarks anti-b, el LHCb tiene unos sofisticados detectores móviles de trazas cercanos a la trayectoria de los haces que circulan en el LHC.

ALICE

ALICE^w5 (A Large Ion Collider Experiment, es decir, un gran experimento de colisión de iones) es un detector especializado en el análisis de colisiones de iones de plomo. Durante unas cuantas semanas cada año, son estos y no protones los que se harán colisionar en el LHC. Esto dará lugar en el volumen de un núcleo atómico a las condiciones propias de aproximadamente una millonésima de segundo tras el big bang, cuando la temperatura del universo era unas 100 000 veces mayor que la del interior del Sol. Estas condiciones podrían crear un estado de la materia llamado plasma de quarks y gluones, cuyas características esperan estudiar los científicos (ver Landua, 2008 para una explicación más detallada del plasma de quarks y gluones).

El reto de los datos

El LHC producirá aproximadamente 15 petabytes (15 millones de de gigabytes) de datos cada año, lo suficiente como para llenar más de tres millones de DVD. Miles de científicos de todo el mundo quieren acceder a esos datos y analizarlos, de modo que el CERN está colaborando con instituciones de 33 países para operar una infraestructura distribuida de cálculo y almacenamiento de datos, la grid de computación del LHC (LCG).

La LCG hará posible que los datos de los experimentos del LHC se distribuyan por todo el globo, manteniendo una copia de seguridad primaria en el CERN. Tras el procesamiento inicial, los datos serán distribuidos a once grandes centros de cálculo. Estos centros de nivel 1 (tier 1) pondrán los datos a disposición de más de 120 centros de nivel 2 para tareas específicas de análisis. En este punto, los científicos individuales pueden acceder a los datos del LHC desde sus países de origen usando clusters de equipos locales o incluso ordenadores individuales.

¿Quién trabaja en el LHC?

Liz Gregson del Imperial College, de Londres, Reino Unido), habla con algunos empleados del CERN.

Katharine Leney, física de ATLAS

Katharine está haciendo un doctorado sobre la búsqueda del bosón de Higgs en el detector ATLAS. También está desarrollando una herramienta para vigilar las condiciones en el detector y asegurarse de que los datos obtenidos sean utilizables. “Es un momento auténticamente apasionante para estar aquí, trabajando junto con algunos de los mejores físicos del mundo”. Además de la investigación, se acaba de convertir en una guía oficial del CERN y enseña a los visitantes los experimentos y les explica el trabajo e los científicos.

Dr. Marco Cattaneo, coordinador de proyecto

Marco nació en Italia, pero se mudó al Reino Unido a los diez años. Hoy en día vive en Francia, trabaja en Suiza y tiene una esposa suizo – británica y dos hijos que hablan con fluidez tres idiomas. “Cuando me preguntan por lo que soy sólo puedo responder una cosa, ¡europeo!”, dice. Lleva en el CERN desde 1994. Es subjefe de proyecto para software y computación del experimento LHCb. Su trabajo principal es coordinar a unos 50 físicos que desarrollan programas que permiten la reconstrucción de las trayectorias de las partículas registradas en el detector. Más tarde esto se integra en un único programa de reconstrucción para que otros puedan estudiar las características de los sucesos.

Marco disfruta la atmósfera de trabajo del CERN: “Atrae más o menos al 50% de la comunidad de física de partículas del mundo, lo que significa que la gran mayoría de los que trabajan en el CERN son muy buenos en su campo y muy motivados por su trabajo. No es raro hablar de tú a tú con premios Nobel”

Este texto se publicó originalmente en Imperial Matters, la revista de antiguos alumnos del Imperial College London.

References

• Landua R, Rau M (2008) El LHC: acercándose al Big Bang. Science in School 10. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhcwhy/spanish

Web References

• w1 – Aquí se puede encontrar, en inglés, una guía del LHC: http://cdsweb.cern.ch/record/1092437/files/CERN-Brochure-2008-001-Eng.pdf
• Un vídeo sobre el LHC, el Large Hadron Rap se puede ver aquí: www.youtube.com/watch?v=j50ZssEojtM
• w2 – Para más información sobre el experimento ATLAS: http://atlas.ch
• w3 – Para más información sobre el experimento CMS: http://cms.web.cern.ch
• w4 – Para más información sobre el experimento LHCb: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public
• w5 – Para más información sobre el experimento ALICE: http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html

Resources

• Un tratamiento mucho más detallado del modelo estándar y de los experimentos del LHC se puede encontrar en el libro de Rolf landua (en alemán):
• Landua R (2008) Am Rand der Dimensionen. Frankfurt, Germany: Suhrkamp Verlag
• Boffin H (2008) “Intelligence is of secondary importance in research”. Science in School 10: 14-19. www.scienceinschool.org/2008/issue10/tamaradavis
• Warmbein B (2007) Making dark matter a little brighter. Science in School 5: 78-80. www.scienceinschool.org/2007/issue5/jennylist
• La web del CERN dedica una cantidad sustancial de espacio al LHC: http://public.web.cern.ch/public/en/LHC
• La web del CERN ofrece una gran cantidad de material didáctico sobre la física de partículas y los aceleradores: http://education.web.cern.ch/education/Chapter2/Intro.html
• Entre los materiales didácticos de la web del CERN hay un juego online sobre el LHC en inglés, francés, alemán e italiano: http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/LHCGame/LHCGame.html
• La web británica del LHC tiene materiales sobre el LHC para profsores y estudiantes: www.lhc.ac.uk

Institutions

Author(s)

Rolf Landua es el responsable de Educación del CERN, donde lleva trabajando desde 1980. Este físico de partículas alemán es el co-fundador de la fábrica de antimateria del CERN y dirigió el proyecto ATHENA, que creó millones de átomos de antihidrógeno en 2002. Es secretamente famoso por ser el modelo para el personaje de Leonardo Vetra, un físico del CERN experto en antimateria asesinado en las primeras páginas del bestseller de Dan Brown Ángeles y Demonios, transformado en una película de Hollywood a estrenar en mayo de 2009. Organiza en el CERN cursos para profesores de física de toda Europa y participa regularmente en programas de radio y televisión. Recientemente ha publicado un libro en alemán sobre la física de partículas del CERN (Am Rand der Dimensionen, En la frontera de las dimensiones; ver la sección de recursos). Por su entrega al fomento de la educación científica en las escuelas recibió el premio de comunicación de la Sociedad Europea de Física en 2003.

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