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
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