13 de septiembre de 2013

CERN: Un centro de aceleración de partículas



CERN: Un centro de aceleración – experimentos, resultados ¿y para que se necesita todo esto?

Manfred Jeitler, 06.09.2013


El CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) instalado en Ginebra, con la ay8da de grandes aceleradores de partículas ya ha alcanzado conocimientos fundamentales sobre la estructura de la materia a base de partículas elementales. En el articulo anterior (1) el autor ha explicado, porqué hay que llevar a las partículas a tan altas velocidades y hacerlos colisionar. Junto al CERN, como subproductos también apareció el término  World Wide Web – para facilitar a los científicos las comunicaciones -, al igual la tecnología innovadora de la radioterapia.


 En el artículo anterior (ver aquí). Hemos hablado sobre los componentes de la materia – las partículas. Estos componentes de los átomos, en parte son “partículas elementales” (cómo por ejemplo el electrón)
Elemental en el sentido de que no muestran ninguna otra estructura, otros cómo por ejemplo, el neutrón, se componen de partículas más pequeñas aún, los tal llamados “quarks”, por lo tanto no se les puede considerar como partículas elementales.- 


Autódromo: ¡Todos corren a la misma velocidad! 


Debido a que las partículas que nos interesan, son muy pequeñas y livianas, tienen,  para las energías que nos importan, una velocidad muy alta. Pero existe una limitación absoluta de la velocidad (La velocidad de la luz en el vacío), a la cual deben atenerse las partículas. Hasta ahora ninguna partícula ha recibido una infracción por pasarse estas velocidad (hace algún tiempo se creía haber pillado a un par de neutrinos. A pesar de que esto sucedió en Italia, pero luego se estableció que los neutrinos se atuvieron correctamente a la limitación establecida de la velocidad y que la medición de la pistola de radar de los físicos, estaba defectuosa).



Si pudiéramos observar a las partículas en su volar alrededor nos recordaría a los autitos chocadores de las ferias de entretención: Todos se mueven (casi) a la misma velocidad. El túnel de 27 km de largo del Large-Hadron-collider (LHC) del CERN   contiene la última etapa del complejo del acelerador ((1): Fig. 1). En él los protones de 99,999,783% de la velocidad de la luz son acelerados a 99,999 996 % de la velocidad de la luz. ¡Los protones después de esto, tiene casi 8 veces la cantidad de energía cómo antes!


Las partículas secundarias que se forman durante las colisiones de los protones, de hecho no son tan veloces, cuando no tengan por lo menos un 90 por ciento de la velocidad de la luz, su energía es tan reducida, que no podemos detectarlos con nuestros instrumentos. Sucede algo, parecido como en las carreteras norteamericanas, donde cada uno se rige a restricción de 70  millas y donde nadie viaja 5 km/h más lento o rápido.

¿Net o hazaña tenística? 
 

Si usted juega tenis más menos cómo yo, entonces muchas veces le da en la red. (Lanzar la pelota por encima de la red par mí ya es bastante difícil. Por esto preferí ser físico y no he iniciado una carrera como tenista). Pero si usted es un as del tenis, le tengo una pequeña tarea: Usted y su competidor lanzan cada uno una pelota al mismo tiempo, y ambas pelotas deben chocar encima de la red. Entonces ustedes, creo yo,  estarán mucho tiempo ocupado con esto.
Justamente algo parecido hacen los físicos con el LHC, el acelerador más grande del CERN: El LHC es un tal llamado “Collider, un colisionador. Los protones no son lanzados contra un gran bloque estático (lo que sería mucho más fácil), sino unos contra otros (y acertar ahí ya es bastante difícil, debido al reducido tamaño): bastante ambicionados estos físicos. ¿Porqué hacen esto?



Si usted sufre un accidente automovilístico, para Ud. siempre es mejor  chocar con un vehículo detenido, que con una que viene en sentido contrario a la misma velocidad. La energía, que aplasta el capó del motor y a Ud., es entonces sólo aproximadamente la mitad del tamaño. ¿Pero sólo, para duplicar la energía de colisión, los físicos no aceptarían, dispara protones unos contra otros, para tener una cuota de  impacto bastante reducida? ¿En este caso, no sería mejor construir un acelerador más grande y y se atina con cada disparo?


De hecho en la cercanía de la velocidad de la luz, la diferencia es mucho más grande que un factor dos. La culpa la tienen el señor Einstein y su teoría de la relatividad. A velocidades cerca de la velocidad de la luz hay que calcular de manera totalmente diferente, que con velocidades a las cuales estamos acostumbrados en la vida cotidiana. Con el LHC se alcanzaría aproximadamente sólo el 1 por ciento de la energía ce colisión, si no se quisiera disparar sobre protones que vienen en sentido contrario, sino sobre material en reposos (sobre un blanco). Si con el mismo equipo técnico se quisiera alcanzaría energía, que tenemos ahora con los choques de protones, entonces habría que construir acelera.


Colisiones frontales: Experimentos con el LHC


Justamente esto es lo que se hace al experimentar con el LHC. Aquí se pretende alcanzar las máximas energías por colisión. Con esto se puede generar una gran cantidad de partículas pesadas inestables, cómo, por ejemplo la partícula Higgs. Los dos protones en camino de colisión, son mucho más pequeños que el diámetro que los rayos de los protones. Por esto la probabilidad de un choque para un determinado protón es muy reducida (parecida como el ejemplo de los intentos de los jugadores de tenis), y la mayoría de las veces, después de una “colisión” siguen tranquilamente su camino. Sólo porque en los dos rayos circulan muchos protones (aproximadamente cien mil millardos) constantemente se producen encuentros. Los demás protones siguen su camino y en el siguiente cruce, nuevamente tienen una chance de chocar con otro protón.



Figura 1. El detector “CMS” una de las grandes instalaciones para la observación de las colisiones de los protones en el LHC

Existen cuatro de estos puntos de cruce, en los cuales grandes “detectores” observan lo que sucede durante una colisión (fig. 1). Entre estos puntos de cruce los protones, se mueven cada uno en un tubo separado en una dirección, algo parecido cómo los automóviles en una carretera con pistas separadas pistas con direcciones opuestas. Donde los detectores en los puntos de cruces. Los protones cambian de la pista derecha a la pista izquierda o viceversa, Después de una vuelta alrededor del añillo del LHC, cómo en una carrera de fórmula 1. En un segundo dan 11245 vueltas al circuito (a casi la velocidad de la luz, cómo usted ya sabe), y la “carrera dura varias horas. A diferencia de los autos de carrera, los protones no hacen paradas en los boxes y no tienen necesidad de llenar el estanque; una vez que  el acelerador los llevó a su velocidad final (y con esto a su anergia definitiva), en lo esencial, siguen volando sin resistencia.


Dos de los detectores buscan nuevas partículas pesadas de cualquier tipo. Estos dos equipos se llaman “ATLAS” y “CMS” (fig. 2). El instituto para física de alta energía de Viena de la Academia Científica de Austria, participa decididamente en CMS, y en ATLAS trabaja un equipo de la universidad de Innsbruck. Otro detector con el bonito nombre de “ALICE”, investiga, lo que sucede cuando en vez de protones, se disparan núcleos de plomo entre sí. Y finalmente está   el dispositivo  “LHCb”, que en sus investigaciones se concentra en partículas, que contienen  los tal llamadas “hermosos” quarks (“beauty” o “bottom” quarks).
 Figura 2. Representación mediante un computador de un suceso registrado con el detector “CMS” en el LHC. Probablemente se trata de la desintegración de una partícula de Higgs


En el blanco: “Fixed-target-Experimente”

No en todas las investigaciones se necesitan las máximas energías de colisión. A veces lo importante es investigar muchas colisiones.

Esto es como en un encuesta de opiniones, mientras más personas son encuetadas, tanto más pronto se puede predecir el resultado de una elección Entonces no se lanzan protones  unas contra otros como en el caso de las pelotas de tenis, sino simplemente hacia una gran “red” que es más fácil de achuntar. Esta “red” o “Target” (blanco) en realidad es una barra de metal con un diámetro de unos pocos milímetros. Aún delgado, pero gigantesco en comparación al rayo de protones (en especial en comparación a un protón).

 Neutrinos de vacaciones en Italia

Si usted en verano viaja a Italia, debe subir fatigosamente a un paso de los Alpes y bajar en el otro lado o atravesar por un túnel. Los neutrinos lo tienen más fácil, ellpos viajan directamente hacia la Tierra. Los neutrinos son una especie de partículas que son tan pequeñas y que casi no reaccionan con otra materia, que pueden atravesar todo el Sol , la Tierra y seguir viajando sin que nada les suceda, Esto lo aprovecharon los físicos de CERN y en Italia. Se producen unos efectos muy interesantes cuando los neutrinos estivieroin viajando durante mucho tiempo. No se sería posible costear instalaciones tan grandes. Sinoplemente en el CERN se disparan los neutrinos, donde son producidos, hacia la tierra, y en las cercanías de Roma aparecen de nuevo. Debajo del Gran Sasso, un cerro alto en las cercanías de Roma, hay grandes detectores que detectan estos neutrinos. Naturalmente no todos, ya que con los detectores   los neutrinos no “conversan” todos, pero entre miles de millones, a veces se revela  uno, y esto posibilita interesantes conclusiones para la física de partículas.

¿Que nos importan estas partículas?


¿Quizás usted ahora piensa todo esto está muy bien, pero que hay de interesante en cualquier partícula que se crea artificialmente y que casi de inmediato se desintegran? ¿A caso esto no es un juego abstruso sin una relación con la realidad? ¿No! ¿De ningún modo! Estas partículas existen en la naturaleza, pero nos son de una importancia relevante para la comprensión de la materia que nos rodea. Sólo cuando podemos comprender a la naturaleza, podemos averiguar “que es lo que mantiene unido al mundo en su interior” lo que ya los buscó el Dr. Fausto de Goethe.



Por esto, el descubrimiento de una partícula con las propiedades del hace tiempo predicho  boson de Higgs, pero también los descubrimientos de los bosones W y Z hace treinta años (por lo cual los físicos del CERN recibieron el premio Nivel en aquella época), fueron una brillante y muy necesaria confirmación para nuestra teoría de la estructura de la materia a nivel subatómico. Si no se hubiesen descubierto estas partículas, entonces tendríamos que tirar sobre borda este tal llamado “modelo estándar” y pensar en algo nuevo. En la actualidad los físicos del CERN, están buscando las llamadas partículas “súper-simétricas”. Según si se encuentran o no, habrá que decidirse por una u otro tipo de teorías.


  Implicaciones prácticas directas no tiene esto para nuestra vida. La materia tampoco se desintegraría, si no supiéramos que es lo que la mantiene unida. El avidez por el conocimiento y la comprensión es la base de toda cultura. Además un avance tecnológico a la larga no es posible sin una investigación.


Efecto  sobre la vida diaria 

Quizás usted no se interesa tanto por la física aunque pareciera poco probable … ya que entonces no hubiera leído esto). Pero dado el hecho, a alguien no le interesa la física, una posibilidad que existe, también hay personas a las cuales no les gusta la ópera o a quienes no les importa lo que los antiguos egipcios hayan pensado sobre la vida después de la muerte. ¿Si para alguien la investigación sobre la conformación y la estructura de la materia y del mundo le parece que no vale la pena investigarlo, entonces para él toda la investigación del CERN es una pérdida de dinero?  De seguro no.




El desarrollo del World Wide Web


 Las investigaciones de fondo desde siempre fueron importantes para el des arrollo técnico y el avance en todas las áreas de la praxis. Un ejemplo, que tiene que ver con el CERN, es el World Wide Web. Originalmente fue desarrollado en el CERN para facilitar a los físicos el intercambio de informaciones. Hoy sin este sistema no siquiera se pueden comprar pasajes aéreos o entradas al teatro. La investigación de la aceleración, también es importante en el campo, que nos afecta mucho más que cualquier facilitación económica: Se trata de nuestra salud.


Por el amor a su salud: MedAustron. 

Con el aumento de la esperanza de vida de la humanidad, y las cada vez mejores posibilidades, para sanar enfermedades, en nuestra vida las enfermedades cancerígenas adquieren cada vez una mayor injerencia. Muchas de ellas pueden ser tratadas exitosamente con radiaciones, pero los efectos colaterales son uj gran problema. Algunas de estas enfermedades se pueden combatir con mucha mayor efectividad con protones o iones, que los comunes y más económicos equipos de rayos gama, que se encuentran en los hospitales. Pero para esto son necesarias grandes instalaciones de aceleradores. En la actualidad en Neustadt de Viena se está construyendo una de estas instalaciones, el “MedAustron”. El total del Know-How viene del CERN. Aquí ingenieros y físicos austríacos han construido la planta, sin el apoyo de los físicos del CERN habría sido posible construir este centro, tal cómo se está haciendo.

CERN: Un centro mundial

Con el correr del tiempo, en la investigación de las partículas elementales se ha pasado cada vez más a energías más altas, y correspondientemente los aceleradores se hacen cada vez más grandes y complejos. Hoy ninguna universidad ni estado pueden permitirse instalaciones del tamaño del CERN  Por esto es totalmente lógico que todo el mundo trabaja en conjunto en este ámbito. Ya hace tiempo el CERN no es un centro europeo. Aquí también trabajan una gran cantidad de norteamericanos, rusos, chinos, japoneses, hindúes y representantes de prácticamente todo el mundo en los cuales se trabaja activamente con la física de partículas elementales. Ya que no es posible permitirse varias de estas instalaciones en el mundo, naturalmente es importante, que también en el ámbito del CERN, existe una cierta competencia interna, varios experimentos, cuyos resultados pueden ser comprobados entre sí. El hecho, que todos pueden trabajar en forma paralela, es muy fructífero y valioso para todos los científicos, que trabajan aquí.


Empleos para estudiantes: Tesis en el CERN

Quizás obtuvo la impresión, que es interesante y provechoso trabajar en el CERN y usted piensa: “Lástima que yo y mis hijos y posiblemente mis nietos no puedan trabajar allí” ¡Pero esto no es así! El CERN vive de la cooperación de los científicos de todos los países participantes .Ante todo son personas jóvenes, que trabajan aquí en el marco de una tesis, una disertación u otro tipo de trabajo, durante algunos años, que traen sus nuevas ideas y al miso tiempo adquiriendo nuevas experiencias. De regreso en sus respectivos países pueden aplicar estas experiencias ern la economía o en la investigación. Este constante intercambio, es valioso tanto para el CERN cómo para los países asociados.
Venga, eche un vistazo … y participe.
Traducido del alemán por A. Gundelach con la gentil autorización del Dr. Manfred Jeitler, Septiembre 2013

No hay comentarios.: