Acelerador de partículas   Leave a comment


Los aceleradores de partículas son instrumentos que utilizan campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas, pudiendo ser cercanas a la de la luz. Además, estos instrumentos son capaces de contener estas partículas. Un acelerador puede ser, desde un tubo de rayos catódicos ordinario, de los que forman parte de los televisores domésticos comunes o los monitores de los ordenadores, hasta grandes instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en búsqueda de los elementos fundamentales de la materia. Existen dos tipos básicos de aceleradores: por un lado los lineales y por otro los circulares.  El LHC es el más potente construido, y permitirá observar a las partículas como se supone que estaban poco tiempo tras el big bang, con una energía enorme. Pero sobre todo lo que se persigue es experimentar, descubrir nuevos fenómenos, y con ello poner a prueba nuestras teorías sobre partículas elementales, para confirmar las hipótesis manejadas en ellas, o para rechazarlas y en caso de ser así observar qué pasa en realidad para abrir una vía al desarrollo de teorías nuevas. De todo ello depende el desarrollo de la ciencia fundamental, y de los conocimientos teóricos aprendidos bien podría descubrirse formas inimaginadas de manipular la materia con aplicaciones en todo lo imaginable.  Es casi como cuando se empezó a investigar la electricidad en el siglo XVIII, los científicos que lo hicieron no podían ni imaginar cómo todo eso cambiaría el mundo.

Funcionamiento

Los grandes aceleradores de partículas están basados en un principio muy simple: la alternancia de campos magnéticos y campos eléctricos aceleran una partícula cargada y en cada vuelta su velocidad aumenta proporcionalmente a la capacidad de los electroimanes que dispongamos en el recorrido.   Dentro de lo que dices, el tubo, no puede haber más que vacío, puesto que no queremos que nuestras partículas aceleradas interaccionen con materia y pierdan eficacia en la trayectoria.  Hay que tener en  cuenta que se llegan a alcanzar velocidades próximas a la velocidad de la luz y cualquier interacción electrostática o electromagnética podría dar al traste el experimento. Los físicos usamos los aceleradores (ya sean lineales o circulares) para estudiar a fondo las propiedades de las partículas subatómicas. Para eso hacemos chocar hadrones (por ejemplo) contra núcleos, observando después las interacciones que se producen.   Antiguamente, las trayectorias tras el choque se reflejaban en cámaras de burbujas o cámaras de niebla, registrándose mediante placas fotográficas los resultados.. Hoy en día, los censores y foto multiplicadores tienen tanta sensibilidad que no se puede escapar ninguna partícula tras el choque sin ser estudiada. 

Acelerador L H C

El LHC se convertirá en el acelerador de partículas más grande y energético del mundo] Más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.  Hoy en día el colisionador se encuentra enfriándose hasta que alcance su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K (2 grados por encima del cero absoluto o −271,25 °C). Los primeros haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008,[2] el primer intento para hacer circular los haces por toda la trayectoria del colisionador se produjo el 10 de septiembre de 2008 mientras que las primeras colisiones a alta energía en principio estaban previstas para el 21 de octubre de 2008. Sin embargo, debido a una avería se produjo una fuga de helio líquido y el experimento se ha parado temporalmente. Está previsto que para la primavera de 2009 se reactiven las actividades. Teóricamente se espera que, una vez en funcionamiento, se detecte la partícula conocida como el bosón de Higgs (a veces llamada “la partícula de Dios”[. La observación de esta partícula confirmaría las predicciones y “enlaces perdidos” del Modelo estándar de la física, pudiéndose explicar cómo adquieren las otras partículas elementales propiedades como su masa. Verificar la existencia del bosón de Higgs sería un paso significativo en la búsqueda de una Teoría de la gran unificación, teoría que pretende unificar 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, como los strangelets, los  micro agujeros negros, el monopolo magnético o las partículas supersimétrica. 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.[ 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. Tiene 27 km de longitud y se encuentra situado en el mismo túnel que ocupaba el LEP, a unos 100 metros por debajo del nivel del suelo.   En distintos puntos del perímetro del LHC se encuentran cinco experimentos que tratarán de detectar los restos de las colisiones de partículas que se produzcan: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb y TOTEM. ATLAS y CMS son grandes detectores de propósito general, mientras que el resto son más pequeños y con objetivos más concretos.   Aunque optimizado para colisiones protón-protón, su diseño también permite acelerar iones pesados (plomo, oro, etc.) Los protones tendrán una energía de 7 TeV. La energía total de colisión en este caso será, por tanto, de 14 TeV (equivalente a que cada protón tenga la energía cinética de un mosquito en vuelo). La energía de colisión para iones pesados será de 1.150 TeV.   El proceso de aceleración de partículas se realiza a través de una serie de sistemas que progresivamente van incrementando la energía de las mismas hasta llegar al acelerador principal. El PS (Proton Synchrotron o sincrotrón de protones) está formado por:

 2 aceleradores lineales de 50 GeV,  -el PSB (Proton Synchrotron Booster o Acelerador del Sincrotrón de Protones) a 1.4 GeV,  -el PSR (Proton Synchrotron Ring o Anillo del Sincrotrón de Protones) a 26  GeV.  2 aceleradores lineales de 50 GeV -el PSB (Proton Synchrotron Booster o Acelerador del Sincrotrón de Protones) a 1.4 GeV,   -el PSR (Proton Synchrotron Ring o Anillo del Sincrotrón de Protones) a 26 GeV.   cantidad de explosivos. 

 La seguridad del LHC

 El Gran Colisionador de Hadrones puede alcanzar una energía que ningún otro acelerador de partículas ha alcanzado antes, pero la naturaleza produce a diario energías mayores en colisiones de rayos cósmicos. Las dudas acerca de la seguridad de lo que se puede crearen las colisiones de partículas a alta energía han sido tenidas en cuenta durante muchos años. A la luz de nuevos datos experimentales y del conocimiento teórico el grupo de consulta sobre seguridad del LHC (LSAG) ha actualizado el estudio del análisis hecho en2003 por el grupo de seguridad del LHC, compuesto por científicos independientes. El grupo LSAG reafirma y extiende las conclusiones del estudio de 2003 afirmando que las colisiones del LHC no representan peligro alguno y que no hay razones para preocuparse. Todo lo que el LHC pueda hacer lo ha hecho ya la naturaleza muchas veces a lo largo de la vida media de la Tierra y de otros cuerpos celestes. El estudio preparado por el grupo LSAG ha sido revisado y aprobado por el comité de política científica del CERN, grupo de científicos externos que aconseja al órgano de gobierno del CERN, el Consejo del CERN. A continuación se resumen los argumentos principales que se exponen en el estudio realizado por el grupo LSAG. Para más detalles este informe se puede consultar directamente así como los artículos científicos a los que se refiere.

Rayos cósmicos 

 El LHC, como otros aceleradores de partículas, recrea el fenómeno natural de los rayos cósmicos en condiciones de laboratorio controladas, lo que permite ser estudiados en más detalle. Los rayos cósmicos son partículas producidas en el espacio sideral, siendo la energía de algunas de ellas muchos mayores que las que se producirán en el LHC. La energía y la frecuencia a la que llegan a la atmósfera de la Tierra se han medido en experimentos durante más de 70 años. Durante miles de millones de años la naturaleza ha generado sobre la Tierra tantas colisiones como un millón de experimentos equivalentes al LHC, y el planeta Tierra todavía existe. Los astrónomos observan un gran número de cuerpos celestes en todo el universo, que están siendo atravesados constantemente por rayos cósmicos. El universo entero produce más de 10 millones de millones de experimentos como el LHC por segundo. La posibilidad de consecuencias peligrosas contradice lo que los astrónomos observan, las estrellas y las galaxias todavía existen. 

 

Agujeros negros microscópicos 

La naturaleza forma agujeros negros cuando algunas estrellas, mucho mayores que el sol, colapsan sobre sí mismas al final de su vida. Concentran una gran cantidad de materia en un espacio muy pequeño. Las especulaciones sobre los agujeros negros microscópicos en el LHC se refieren a partículas producidas en las colisiones de pares de protones, cada uno de los cuales tiene una energía comparable a la de un mosquito volando. Los  agujeros negros astronómicos son objetos mucho más pesados que cualquier cosa que se pudiera producir en el LHC.  De acuerdo con las bien conocidas propiedades de la gravedad, descritas por la teoría de la relatividad de Einstein es imposible que agujeros negros microscópicos se puedan producir en el LHC. Existen, sin embargo, algunas teorías especulativas que predicen la producción de dichas partículas en el LHC. Estas teorías predicen que tales partículas se desintegrarían inmediatamente. Por lo tanto los agujeros negros no tendrían tiempo de absorber materia suficiente como para causar efectos macroscópicos.   A pesar de que agujeros negros microscópicos estables no se esperan en teoría, el estudio de las consecuencias de su producción por rayos cósmicos demuestra que son inofensivos. Las colisiones en el LHC y las colisiones de rayos cósmicos con cuerpos celestes como la Tierra se diferencian en que las nuevas partículas producidas en las colisiones del LHC se mueven más despacio que las producidas por rayos cósmicos. Los agujeros negros estables podrían tener carga eléctrica o ser neutros. Si tuvieran carga eléctrica, interaccionarían con la materia ordinaria y se pararían cuando atraviesan la Tierra, se hayan producido en rayos cósmicos o en el LHC. El hecho de que la Tierra exista todavía, descarta la posibilidad de que los rayos cósmicos o el LHC puedan producir agujeros negros microscópicos cargados y peligrosos. Si los agujeros negros microscópicos estables no tuvieran carga eléctrica, su interacción con la Tierra sería muy débil. Aquéllos producidos por rayos cósmicos pasarían de forma inofensiva a través de la Tierra hacia el espacio, mientras que los producidos en el LHC se podrían quedar en la Tierra. Sin embargo, existen cuerpos celestes mucho más grandes y densos que la Tierra en el universo. Los agujeros negros producidos en colisiones de rayos cósmicos con otros cuerpos como estrellas de neutrinos o enanas blancas se pararían. La existencia de dichos cuerpos celestes densos en la actualidad, además de la existencia de la Tierra, elimina la posibilidad de que el LHC produzca agujeros negros peligrosos. 

 Strangelets 

Strangelet es el término con el que se denomina a un hipotético trozo microscópico de “materia extraña” que contiene el mismo número de partículas, quarks, de tipo up, down  y strange. De acuerdo con los estudios teóricos más recientes los strangelets se  transformarían en materia ordinaria en una milésima parte de un millonésima parte de un segundo. Pero ¿podrían los strangelets fusionarse con la materia ordinaria y cambiarla por “materia extraña”?. La primera vez que se planteó esta cuestión fue en el año 2000cuando comenzó a funcionar el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC) en Estados Unidos. Un estudio de esa época demostró que no existían razones para preocuparse, y el acelerador RHIC ha funcionado durante ocho años buscando strangelets sin haberlos encontrado. Durante algunos periodos el LHC funcionará con haces de núcleos pesados, como el RHIC. Los haces del LHC tendrán una energía mayor que el RHIC, lo que hace todavía menos probable que pudieran formarse strangelets. Es difícil que la “materia extraña” pueda agruparse en las altas temperaturas producidas en dichos colisionadores, de la misma forma que el hielo no se forma en agua caliente. Además los constituyentes estarán más diluidos en el LHC que en el RHIC, lo que hace más difícil que la “materia extraña” pueda agruparse. 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.

 Burbujas de vacío 

Existen especulaciones sobre que el universo no se encuentra en su configuración más estable, y que las perturbaciones causadas por el LHC podrían llevarlo a un estado más estable, llamado burbuja de vacío, en el que no podríamos existir. Si el LHC pudiera hacer esto, también podrían hacerlo las colisiones de rayos cósmicos. Puesto  burbujas de vacío no se han producido nunca en el universo visible, no se podrán producir en el LHC. 

                                                                          

Monopolos magnéticos 

Los monopolos magnéticos son partículas hipotéticas con una única carga magnética, bien un polo norte o un polo sur. Algunas teorías especulativas sugieren que, si existen, los monopolos magnéticos podrían producir la desintegración del protón. Estas teorías también predicen que dichos monopolos serían demasiados pesados como para que se pudieran producir en el LHC. Por otra parte, si los monopolos magnéticos fueran lo suficientemente ligeros como para producirse en el LHC, los rayos cósmicos que golpean la atmósfera de la Tierra los hubieran producido ya, y la Tierra los habría parado y atrapado. El hecho de que la Tierra y otros cuerpos celestes sigan existiendo elimina la posibilidad de que los peligrosos monopolos magnéticos que se comerían a los protones fueran lo suficientemente ligeros como para producirlos en el LHC. 

La Polemica Del LHC 

La polémica surgía de la mano de varios científicos que alertaban del supuesto peligro de esta liberación de energía. El estadounidense Walter Wagner y el español Luis Sancho abrieron la veda al afirmar que el LHC podría desencadenar diversos procesos, como un agujero negro, materia exótica supermasiva o un vacío cuántico, capaces de destruir la Tierra  y hasta el propio universo. Por ello, presentaban ante un juzgado de Hawai una demanda para paralizarlo. Asimismo, diversos científicos alemanes y austríacos llevaban al Tribunal de Derechos Humanos de Estrasburgo una querella contra el LHC. Sin embargo, en este caso, los responsables de este Tribunal europeo han rechazado la demanda.  El  alemán Otto Rössler, están muy preocupados y temen el fin del mundo, porque creen que los agujeros negros que se podrían llegar a producir en los tubos del LHC, provocarán la aniquilación del planeta La inauguración del LHC podía haberse suspendido, sin embargo, si el Tribunal de Derechos Humanos de Estrasburgo se hubiera tomado en serio la demanda interpuesta por un grupo de físicos que a finales de agosto exigieron la paralización del proyecto, al considerar que el acelerador de partículas representaba una gravísima amenaza para la Humanidad. Según estos iluminados, el LHC podría desencadenar un pequeño agujero negro con consecuencias apocalípticas, ya que la Tierra acabaría literalmente engullida por este sumidero cósmico. A pesar de que la teoría era totalmente extravagante, y el Tribunal de Estrasburgo desestimó la demanda, el CERN se vio obligado a emitir un comunicado de prensa para tranquilizar a todos aquellos que sigan temiendo que el fin del mundo se acerca. Con todo esto Aymar (el director del Cern) ha querido zanjar la polémica con rotundidad: “El LHC es seguro y cualquier sugerencia de que sea peligroso es pura ficción”.

Publicado noviembre 2, 2011 por Mery en Mitos y leyendas

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