Cosas que no sabías del LHC
El Gran Colisionador de Hadrones puede parecernos enorme pero se ocupa de las cosas más pequeñas del universo.
El LHC es un acelerador de partículas y se le da fenomenal destruir protones (uno de los dos tipos de partículas que componen el núcleo, o centro, de un átomo) a velocidades increíbles.
Para lograr este gran éxito, el LHC envía protones alrededor de su circuito en forma de túnel a velocidades apenas por debajo de la velocidad de la luz. Luego hace que los protones colisionen una y otra vez. ¿Por qué? Porque cuando haces colisionar cosas, generalmente se rompen en pedazos más pequeños. Y luego puedes inspeccionar esas piezas más pequeñas para ver cómo forman el todo. Es fascinante.
Entonces, ¿de qué manera las colisiones de protones dentro del Gran Colisionador de Hadrones ayudan a los físicos a resolver sus problemas? Es una pregunta excelente, ¿verdad?
Partamos del concepto de gravedad. Sabemos que la gravedad está en todas partes, y los científicos pueden predecir con precisión la gravedad de casi cualquier objeto en el espacio. Pero todavía no saben exactamente lo que hace que sea tal. Antes del LHC, cuando los físicos intentaron examinar cómo funcionaba una fuerza como la gravedad, sus cálculos les indicaban que había partículas desconocidas involucradas en el proceso. No podían ver estas partículas ellos mismos; simplemente sabían que sin algo como estas partículas, los cálculos no podrían funcionar de ninguna manera.
En cierto modo, era como poder ver solo las huellas de partículas no descubiertas. Al menos era una pista. Pero esas huellas conducían dentro de un edificio al que no tenían llave. Entonces, el LHC es el dispositivo que sacude y rompe ese edificio hasta que las partículas salen de su escondite.
Y los científicos lo lograron. Su descubrimiento más famoso hasta ahora se realizó en 2012, cuando los físicos encontraron una partícula llamada bosón de Higgs. Esta pequeña partícula había sido mencionada por primera vez en la década de 1960 pero nos llevó alrededor de 50 años poseer la tecnología necesaria para demostrar que tenían razón.
El resultado final es que durante 10 años, el Gran Colisionador de Hadrones les ha dado a los científicos la oportunidad de mirar más cerca que nunca en las partículas más diminutas que existen y que están ocultas a la vista.
Y esto solo acaba de comenzar…
Esta máquina conforma un túnel gigante en circunferencia de 27 km de largo, pero en su mayoría está escondido bajo tierra en la frontera franco-suiza. Contiene 9.300 imanes en su interior. Y sus hallazgos son tan complejos que solo los entienden los físicos más brillantes del planeta. Depende de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).
Entonces, ¿por qué estamos tan interesados en celebrar su cumpleaños? Porque en última instancia, el LHC busca comprender las cosas que componen el universo en el nivel más pequeño posible: a nivel cuántico. Estas partículas y fuerzas son tan pequeñas y misteriosas que normalmente se resisten a nuestros esfuerzos por inspeccionarlas (a no ser que seas Ant-Man, claro). Las partículas son tan pequeñas que la tarea de hacerlas colisionar es similar a disparar dos agujas separadas por 10 kilómetros con tanta precisión que se encuentren a medio camino.
El LHC consiste en un anillo de imanes superconductores de 27 kilómetros con varias estructuras de aceleración para aumentar la energía de las partículas a lo largo del camino. Dentro del acelerador, dos haces de partículas de alta energía viajan a una velocidad cercana a la de la luz antes de colisionar. Son guiados alrededor del anillo del acelerador por un fuerte campo magnético mantenido por electroimanes superconductores. Los electroimanes están construidos a partir de bobinas de cable eléctrico especial que opera en estado superconductor, conduciendo de manera eficiente la electricidad sin resistencia o pérdida de energía. Esto requiere enfriar los imanes a -271.3 ° C, una temperatura más fría que la del espacio exterior. Por esta razón, gran parte del acelerador está conectado a un sistema de distribución de helio líquido, que enfría los imanes, así como a otros servicios de suministro de nitrógeno.
Como hemos comentado, los electroimanes del LHC no son un instrumento a tomar a la ligera. Generan campos magnéticos 100.000 veces más potentes que la fuerza gravitacional de la Tierra. Recordemos que nuestro planeta tiene una gravedad de 9.780327 m/s² en el ecuador y 9.832 m/s² en los polos.
Los primeros haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008 en el Gran Colisionador de Hadrones y el primer intento para hacerlos circular alrededor de todo el túnel del colisionador se produjo el 10 de septiembre del año 2008. Así, dos puntos amarillos en una pantalla señalaban la primera vez que los protones habían circulado el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, marcando el final de años de diseño y construcción.
Fue un momento en que una audiencia másiva se conectó a la física de partículas. Se estima que el espectáculo de este grupo de partículas subatómicas a las 10:28 de ese histórico miércoles de otoño llegó a una audiencia de más de 1.000 millones de personas en todo el mundo. Hubo un número récord de visitas a la página de inicio del CERN, además de unas 2500 transmisiones de televisión y 6.000 artículos de prensa solo ese día.Incluso Google convirtió su logotipo en un caricatura de un colisionador.
El programa de física del LHC comenzó en serio el 30 de marzo de 2010 con colisiones a 3.5 TeV por haz. Para muchos físicos que trabajan en los experimentos ALICE, ATLAS, CMS y LHCb, este es precisamente el momento exacto en el que el LHC cobró vida, lo que convertirán a la primavera de 2020 en otra oportunidad de oro para hacer un balance de las inmensas contribuciones del LHC al mundo de la ciencia.
Ubicado en el laboratorio CERN, a las afueras de Ginebra, Suiza, el LHC fue construido para destruir haces de protones altamente energéticos a la velocidad de la luz. El objetivo declarado era crear y descubrir el bosón de Higgs, la última pieza faltante del Modelo Estándar, nuestra mejor teoría para el comportamiento de la materia subatómica. Afortunadamente, el LHC permitió confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs el 4 de julio de 2012. La masa de Higgs produjo tantas preguntas como respuestas sobre cómo funciona el universo, y los científicos continúan aprendiendo cosas nuevas sobre la partícula.
A pesar de la excitación mundial y de la enorme cobertura de los medios de comunicación a lo largo y ancho del planeta, lo que se logró en ese día fue relativamente modesto. Pero no importa. Fue emocionante, y sin duda fue un trampolín importante en el camino hacia operaciones más completas y complejas.
Por hablar con números en mano, en 2017 el LHC consiguió producir 3 millones de bosón de Higgs. Con el LHC de Alta Luminosidad, se podrán producir 15 millones de bosón de Higgs al año.
Todos los controles para el acelerador, sus servicios y la infraestructura técnica se encuentran bajo un mismo techo en el Centro de Control CERN. Desde aquí, los haces dentro del LHC se hacen colisionar en cuatro lugares alrededor del anillo del acelerador, correspondientes a las posiciones de cuatro detectores de partículas: ATLAS, CMS, ALICE y LHCb.
Desde una cueva a 100 metros debajo de un pequeño pueblo suizo, el detector ATLAS de 7000 toneladas explora partículas fundamentales. Es uno de los dos detectores de uso general en el Gran Colisionador de Hadrones. Investiga una amplia gama de física, desde la búsqueda del bosón de Higgs hasta dimensiones extra y partículas que podrían constituir materia oscura. Aunque tiene los mismos objetivos científicos que el experimento CMS, utiliza diferentes soluciones técnicas y un diseño de sistema de imanes distinto.
El detector CMS utiliza un gran imán de solenoide para doblar las rutas de las partículas de las colisiones en el LHC. Así, el Solenoide Compact Muon (CMS) es un detector de uso general. Está construido alrededor de un gran imán de solenoide tomando la forma de una bobina cilíndrica de cable superconductor que genera un campo de 4 teslas, unas 100.000 veces el campo magnético de la Tierra.
El experimento LHCb arrojará luz sobre por qué vivimos en un universo que parece estar compuesto casi por completo de materia, pero no antimateria. Se especializa en investigar las diferencias entre materia y antimateria estudiando un tipo de partícula llamada “quark fondo o “b quark” (bottom quark). En lugar de rodear todo el punto de colisión con un detector cerrado como lo hacen ATLAS y CMS, el experimento LHCb usa una serie de subdetectores para detectar partículas lanzadas hacia adelante por la colisión en una dirección. El LHC crea una gran cantidad de diferentes tipos de quark antes de que se descompongan rápidamente en otras formas. Para atrapar los quarks b, LHCb ha desarrollado sofisticados detectores móviles de seguimiento cerca de la trayectoria de los rayos que circulan en el LHC.
El experimento ALICE detecta el plasma de quark-gluón, un estado de la materia que se cree que se formó justo después del Big Bang, esto es, es un detector de iones pesados en el anillo del Gran Colisionador de Hadrones. Está diseñado para estudiar la física de la materia que interactúa en densidades de energía extremas, donde se forma el plasma de quark-gluón.
Las colisiones en el LHC generan temperaturas más de 100.000 veces más calientes que el centro del Sol. Durante parte de cada año, el LHC proporciona colisiones entre los iones de plomo, recreando en condiciones de laboratorio similares a las que se producen justo después del Big Bang. Bajo estas condiciones extremas, los protones y neutrones se “derriten”, liberando a los quarks de sus enlaces con los gluones. Este es el plasma de quark-gluón. La existencia de dicha fase y sus propiedades son cuestiones clave en la teoría de la cromodinámica cuántica.
No podían faltar las teorías de la conspiración relativas al LHC. De hecho, los teóricos de la conspiración están obsesionados con la idea de que el Gran Colisionador de Hadrones podría hacer aparecer un agujero negro o abrir una puerta de acceso al infierno mismo. El astrónomo Martin Rees ha descrito los riesgos (teóricos) en su último libro. Dice que “Tal vez se podría formar un agujero negro y luego absorber todo lo que lo rodea”. La segunda posibilidad es que los quarks se reensamblen en objetos comprimidos. Esto, según algunas hipótesis, podría convertir cualquier cosa que encuentre en una nueva forma de materia, transformando toda la tierra en una esfera hiperdensa de unos cien metros de diámetro.
Fuera de estas teorías de la conspiración con las que tenemos que vivir cada día, el Grupo de evaluación de seguridad del LHC afirma que, en la práctica, el colisionador no representa ningún peligro.
Lejos de tratar de matarnos a todos, los científicos del CERN esperan que los descubrimientos de los túneles realmente puedan cambiar el mundo.
Es cierto que los investigadores no han descubierto una nueva partícula fundamental desde el bosón de Higgs. De hecho, lo que más han hecho es descartar posibilidades acerca de partículas nuevas. En esto consiste gran parte de la física de partículas en la actualidad: comprender todos los tipos de partículas que no existen con la esperanza de encontrar algo nuevo. Algunos de los posibles contendientes a partículas nuevas han sido descartados; la supersimetría, la idea de que cada partícula tiene un compañero desconocido, continúa sin descubrirse.
El Gran Colisionador de Hadrones detuvo en septiembre las colisiones de protones durante varios días para someterse a numerosas pruebas (no menos de 24 están previstas). Una de las principales áreas de investigación se centra en la estabilidad del haz: los operadores del LHC rastrean y corrigen sistemáticamente las perturbaciones. Cuando surgen inestabilidades, los operadores detienen los haces y los descargan. Los operadores también están probando nuevas ópticas para el LHC de alta luminosidad o, en otras palabras, una nueva forma de ajustar los imanes para aumentar la concentración del haz en los puntos de colisión.
A finales de año, los aceleradores del CERN se cerrarán para un programa de actualización mayor de dos años que dará como resultado un complejo acelerador renovado que utilizará haces más intensos y mayor energía. Esta nueva etapa será el LHC de alta luminosidad (HL-LHC). El coste material en la mejora del LHC está fijado en 950 millones de francos suizos entre 2015 y 2026, teniendo en cuenta un presupuesto constante del CERN. Su actualización le permitirá ver de cinco a siete colisiones más por segundo. Observar mayor número de colisiones significa recopilar más datos más rápidamente, y da a los físicos una mejor oportunidad de ver cosas que pueden ocurrir con muy poca frecuencia.
