CERN DE GINEBRA (3)

En realidad el LHC consta de 5 aceleradores de partículas, uno lineal y cuatro circulares.

Primero hay que obtener los protones. Esto se hace ionizando gas hidrógeno, que está dentro de esta botella roja. Para ello lo calentamos hasta muy altas temperaturas.

Esos protones los dirigimos hacia un acelerador lineal de partículas, que es este tubo rojo de unos 200 m de largo.

Si miráramos dentro del acelerador veríamos lo siguiente:

Cada uno de los tramos azules es una zona de aceleración. Se trata de dos placas eléctricas con distinto potencial entre las que se crea un campo eléctrico constante (este problema que tantas veces hemos hecho en 2º Bachillerato, ¿verdad?). El protón, al entrar dentro del campo eléctrico se acelera según la ecuación q · E = m· a; Esto se hace un enorme número de veces dentro del tubo de forma que el protón pasa de estar “en reposo” cuando entra en el tubo a una velocidad cercana a 10⁵ m/s cuando llega al final del mismo, 200 m más allá. Después el protón entra en 4 aceleradores circulares, tal y como muestra el siguiente video.

Los choques se producen en las regiones brillantes del último acelerador, el LHC, y cada uno de esas regiones brillante corresponde a un experimento distinto (Atlas, Alice…). Los choques de partículas se producen porque introducimos haces en sentido contrario.

¿Y por qué cuatro aceleradores? En realidad, según nos explicaron, lo que se ha ido produciendo es una ampliación del CERN, y cada nuevo acelerador construido se ha ido acoplando al existente anteriormente para conseguir mayores velocidades y no desaprovechar lo que ya existía. Así se ha conseguido que el LHC, el mayor de los aceleradores tenga una longitud de tunel de 27 km enterrados 100 m bajo tiera y que produce una energía en los puntos de colisión de 7 TeV, suficiente para fundir 500 kg de Cobre.

El funcionamiento de estos aceleradores circulares es básicamente el explicado en la pregunta del ciclotrón en 2º Bachillerato, se basa en la Ley de Lorentz.

Esta sería la imagen de una colisión de partículas en el experimento atlas

Es posible que estés pensando bien, muy espectacular, pero tal vez tengas dos preguntas sin contestar:

1.    ¿Cuánto cuesta todo esto? 724 millones de €/año

2.    Y… ¿Sirve para algo? ¿Merece la pena gastar esta cantidad de dinero en colisionar partículas? ¿Qué va a aportar a la Ciencia y a la vida en general el descubrimiento del bosón de Higgs, por ejemplo?

Aquí tengo varias respuestas, primero algo práctico. Como ya he comentado en el CERN se desarrolló internet, también se han desarrollado tecnologías con aplicaciones muy distintas, fuera del campo de la física como por ejemplo el PET (Position Emission Tomography), muy habitual en los hospitales. 

Y si no te he convencido tengo una respuesta más filosófica:

Si pudieses preguntar:

·         a un señor de principios del siglo XIX para qué sirve la corriente eléctrica ,

·         a un señor de principios del XX para que Marie Curie estudiaba la radiactividad

¿Sabrían contestarte?

En palabras de Garoe González Parra, investigador español de CERN, al que desde aquí doy las gracias por su amable atención y la de sus colaboradores en el día que hice mí visita:

“Somos humanos y somos curiosos y queremos entender el mundo que nos rodea”.

Para la física sin duda es un gran avance. De la misma manera que Maxwell unifico las teorías eléctrica y magnética en el siglo XIX, ahora el bosón de Higgs permitirá unificar esta con la fuerza débil y quién sabe si unificarlas algún día con la fuerza nuclear fuerte o la gravitatoria… solo el tiempo podrá decirlo.

Y si nada de esto te ha convencido, podemos recurrir a las palabras de Michael Faraday, descubridor de la inducción magnética en el siglo XIX, cuando un político le preguntó para qué demonios podría servir su descubrimiento. A lo cual Faraday respondió: "señor, no estoy muy seguro, pero es más que probable que dentro de veinte años usted cobre impuestos por ello".

Por último te recomiendo la lectura del siguiente artículo, llamado el bosón de Higgs explicado a mi abuela.

Documentación consultada para hacer la entrada:

http://www.particleadventure.org/spanish/atom_funds.html

http://www.taringa.net/posts/info/15147823/Entender-el-boson-de-Higgs-en-cinco-preguntas.html

Presentación de Garoe González, científico español del CERN.

CERN DE GINEBRA (2)

El CERN  de Ginebra es un proyecto que abarca a más de 10.000 personas, más de 60 años de historia, 62 países involucrados(aunque ahora con la crisis hay muchos que están pensando en retirar fondos, entre ellos España, ya sabéis la investigación científica no debe ser importante) y dónde se están realizando más de 20 experimentos. Para llamar tu atención y que pienses en su importancia te diré que es el lugar donde se “inventó” internet.

Algunas de las preguntas que intentan contestar en el CERN son:

¿De qué está hecho el universo? El modelo Estándar solo es válido para el 4% de Universo, el resto sería materia oscura.

¿Por qué hay partículas (leptones y quarks con masas diferentes? ¿Por qué crece la masa?  Es lo que hemos llamado generaciones, recuerda.  Aquí es donde entra en juego el ahora famosísimo Bosón de Higgs. Pero ¿Por qué es tan importante?

Intentaré aclararlo. Este Bosón fue predicho por Peter Higgs en los años 60 y ahora parece que ha sido finalmente descubierto. Este bosón sería el responsable de que la masa de las partículas. Las partículas que forman la materia leptones y quarks tienen masa y los fotones o gluones no. Esto podría deberse a que cuando un leptón o un quark interacciona con el campo de higgs hace que estas partículas adquieran masa.

El campo de Higgs sería algo así como un “mogollón” de bosones de Higgs, lo que en física se entiende como un continuo, extendido por todo el espacio. Este campo es un residuo directo del Big Bang. Fue la primera cosa que existió una fracción de segundo después del origen de nuestro universo. La masa de las partículas sería la fricción que hacen con ese campo cuando se mueven por él. Las partículas más ligeras se moverían fácilmente (no tendrían masa, o poca) y las más pesadas con mucha dificultad (tendrían mucha masa).  Es como una sardina y un tiburón moviéndose en el mar ¿Quién va más rápido? La sardina, porque interactúa menos con el mar, es decir tiene menor masa… En este ejemplo el mar sería el campo de Higgs y cada una de las moléculas de agua un bosón de Higgs.

Aquí os adjunto un video en el que intenta explicarlo, de forma muy básica.

Su descubrimiento es uno de los grandes objetivos del LHC (Gran colisionador de hadrones) de Ginebra. Cuando yo estuve allí e Marzo, me dijeron que tenían delimitado el rango máximo y mínimo de energía (del orden del GeV, parece que la masa real es de 125,5 GeV) en el que buscar y que si no estaba ahí no lo encontrarían y la predicción de Higgs estaría equivocada. El modelo estándar sería erróneo.

El objetivo del acelerador de partículas es hacer que choquen protones frontalmente a velocidades muy cercanas a la de la luz. Recuerda que cuanto mayor sea la energía de las partículas que chocan mayor será su masa. (E = mc²). El problema mayor es que el bosón de Higgs no se puede observar directamente, ya que como todas las partículas inestables se desintegra instantáneamente dando lugar a otras partículas elementales (fotones, electrones…) que es lo que en realidad detectamos con el LHC. Y con esas partículas los científicos tratan de reconstruir el Higgs, para ver si ha existido en algún instante.   El problema es que otros procesos, no solo la aparición del Higgs originan esas partículas. Y para poder asegurar que lo encontrado es el bosón e Higgs hay que hacer unos complicados cálculos estadísticos de esos fenómenos que, según lo que he leído, aseguran la fiabilidad por encima del 99%. ¿Me he explicado?

Pero, como funciona este LHC. Bueno esta será la tercera y última parte de mi artículo

CERN DE GINEBRA (1)

CERN DE GINEBRA (1)

El pasado mes de Marzo tuve la suerte de visitar el gran colisionador de partículas de Ginebra. Aunque con un poco de retraso, voy a tratar de explicar en qué consiste y lo que allí aprendí.

En el colegio hemos estudiado las teorías atómicas, desde Demócrito en la antigüedad hasta la teoría de los orbitales, la que hemos llamado actual, y hemos visto que dentro del átomo existen tres partículas “fundamentales”, protón y neutrón en el núcleo, y electrones en la corteza.

Sin embargo, esto no es estrictamente cierto, ya que los protones y los neutrones están compuestos de otras partículas, más fundamentales, llamadas quarks. Creemos que quarks y electrones si son realmente fundamentales, es decir, no están compuestos de partículas más pequeñas, aunque es una cuestión aún abierta….

Los físicos han descubierto más de 200 partículas, fundamentales o no, que nombramos con las letras del alfabeto griego.

Para intentar explicar todo esto se ha creado una  teoría llamada el modelo Standard, que trata de explicar qué es la materia y cómo actúan todas las fuerzas existentes en el universo.

Se basa en que existen dos tipos de partículas:

·         Partículas portadoras de fuerza: Cada tipo de fuerza fundamental lleva asociada una partícula “portadora de esa fuerza”. El fotón, como veremos es un ejemplo.

·         Partículas materiales, que estarán compuestas de electrones, protones y neutrones. En realidad podríamos decir de electrones y quarks ya que protones y neutrones están formados por quarks.

Empecemos por las segundas; tipos de partículas materiales:

·         Leptones: Existen seis tipos de leptones, tres de ellos con carga eléctrica negativa y los otros tres sin carga eléctrica. Los tres cargados son el electrón (e), el muón (, y la partícula Tau (. Estos dos últimos son básicamente electrones pero de masa mucho mayor. Los tres sin carga son los neutrinos, de masa muy pequeña (si es que tienen que aún no está del todo claro) y muy rápidos. Existe un tipo de neutrino para cada tipo de leptón. Esta partícula se ha hecho muy famosa este último año cuando un experimento determino que viajaban a una velocidad mayor que la de luz. De haber sido cierto habría hecho tambalearse los cimientos de la física, pero tal y como se demostró más tarde, todo se debió a un error de medida de los experimentadores. Además existen los que se llaman leptones de antimateria, de la misma masa pero de carga opuesta. Siempre que la materia y la antimateria entra en contacto se aniquila, formando energía. Los leptones pueden existir aislados en la naturaleza.

·         Quarks: También existen seis tipos de quarks, pero aparecen siempre agrupados en 3 pares. Todos ellos tienen carga eléctrica fraccionaria, que pondré entre paréntesis a continuación. El protón y el electrón tienen carga eléctrica +1 y -1, respectivamente. Estos pares de quarks son:

o    Up (2/3) y Down (-1/3)

o    Charm (2/3) y Strange (-1/3)

o    Top (2/3) y Bottom (-1/3)

Para cada tipo de quark también existe un quark de antimateria.

Los quarks no pueden existir aislados, sino en agrupaciones de quarks. A estas agrupaciones de quarks se les llama hadrones. La carga de un hadrón siempre es un número entero. Existen hadrones de dos tipos:

o    Bariones: Unión de tres quarks. Los más habituales son:

§  Protón: Unión de 2 quarks up y 1 Down

§  Neutrón: Unión de 1 quark up y 2 Down

o    Mesones: Son la unión de un quark y un antiquark

Tanto los leptones como los quarks están constituidos en tres grupos que llamamos generaciones. Cada generación es más pesada, tiene más masa que la anterior. Pero la naturaleza es vaga y prefiere estar en estados estables donde la energía es mínima, y por eso las partículas de segunda y tercera generación son inestables (su tiempo de vida es inferior al micro segundo) y derivan a partículas de la primera generación, de la que está constituida toda la materia del universo.

         

Todo esto nos podría servir para saber de qué está hecho el mundo, pero ¿Qué es lo que hace que estas partículas se unan y formen los objetos que vemos y tocamos?  La respuesta está en las interacciones fundamentales. ¿Os habéis dado cuenta de que en la última imagen hay una columna rosa de la que no hemos hablado?

Durante los cursos inferiores del colegio hemos estudiado el concepto de fuerza. Sin embargo en 2º Bachillerato introducimos el concepto de interacción. En muchas ocasiones estos dos términos se usan como si fueran sinónimos. Nos referimos a interacción normalmente cuando hablamos de las partículas portadoras de la fuerza.

Todas las interacciones que afectan,  a partículas materiales son producidas por un intercambio de partículas portadoras de fuerza. Es decir,  que una partícula es afectada por una interacción si puede absorber o producir la partícula de fuerza característica de esa interacción.

Las cuatro interacciones fundamentales son:

·         Gravitatoria: Esta interacción no está incluida en el modelo estándar ya que es muy pequeña entre partículas. Ya sabéis esa constante G (6,67 ·10^-11 SI) tan pequeñita con esas masas tan minúsculas, hace que sea inapreciable. Es una fuerza muy débil, salvo que estemos hablando de masas muy grandes. Los científicos aún no han descubierto la existencia de la partícula portadora de la gravedad, pero predicen su existencia y la llamarían gravitón.

·         Electromagnética: Desde pequeños sabemos que cargas del mismo signo se repelen y de signo contrario se atraen, pero ¿Cómo ocurre esto? Intentaré explicar esto con un ejemplo muy básico. Si yo te lanzo un balón de baloncesto tú al recogerlo te echas hacia atrás. Se habría producido una fuerza repulsiva entre tú y yo por culpa de una partícula portadora, el balón. En el caso de la fuerza electromagnética las partículas que se repelerían serían dos cargas positivas (protones por ejemplo) y el balón sería sustituido por la partícula portadora de la fuerza electromagnética, el fotón. ¿Lo has entendido? Lo más sorprendente es que esto también funciona para explicar las fuerzas atractivas. Si una partícula negativa “lanza” un fotón a una positiva cuando la positiva lo recibe no se va hacia atrás sino hacia delante, es atraído por el fotón hacia la negativa.

Pero entonces, si hemos estudiado que el núcleo es estable y está formado por protones de carga positiva, es decir que se repelen ¿Cómo es posible que el núcleo se mantenga estable, es decir, que no se desintegre? La respuesta nos la da la tercera interacción.

·         Fuerte: Sucede que entre los quarks de núcleo (que además de la carga electromagnética tienen otra carga llamada carga de color) aparece una interacción atractiva muy fuerte debido a esta carga de color. A la partícula de fuerza responsable de esta interacción se la conoce como gluón, y es una interacción atractiva tan grande que permite la estabilidad del núcleo. La forma de interactuar de los gluones con los quarks podemos imaginárnosla de forma parecida al fotón con los electrones y protones. Es importante destacar que solo los quarks y gluones tienen carga de color y por tanto los gluones interactúan con quarks únicamente.

Y por último está  la interacción débil. Tratando de simplificar mucho

·         Débil: Esta interacción es la responsable de que los leptones y quarks más masivos decaigan a los más livianos. Es una fuerza repulsiva. Las partículas portadoras de este tipo de fuerza se las conoce como bosón W⁺, W^-, y Z. Siempre que un leptón o quark decae (muón cambiando a electrón por ejemplo…), desaparece y en su lugar aparecen dos o más partículas. A esto se le llama un cambio de sabor. Se da la circunstancia de que la masa de las partículas resultantes siempre es menor que la de la partícula original, lo que se explica con un desprendimiento de energía (Recuerda E = mc²).

He intentado resumir, en pocas líneas lo que los físicos llaman el modelo estándar, que es en lo que se basa la física de partículas actual y que resumen en esta “simple ecuación” en palabras textuales del investigador que me enseñó el CERN.

Pero, te estará preguntando, que tiene esto que ver con el CERN DE GINEBRA….Lo veremos en el siguiente capítulo.